Анализатор энергий заряженных частиц

 

Изобретение относится к электрон- -яой спектроскопии и масс-спектр ометИзобретение относится к физической электронике, в частности, электронной спектроскопии и масс-спектрометрии, и может быть использовано для создания монохроматичных потоков заряженных частиц, направленных на объект, исследуемый методами вторичной спектроскопии, например на поверхность твердого тела или на объем, занятый атомарным либо молекулярным газом, а также для энергетического анализа в оже-спектрометрах. Целью изобретения является одновременное повышение разрешающей спории и может быть использовано в качестве анализатора или монохроматора в аналитической аппаратуре. Целью изобретения является одновременное повышение разрешающей способности и светимости, а также упрощение юстировки . Устройство представляет собой плоские электроды 1 и 2, электрически изолированные один от другого. Плоскости, в которых лежат электроды 1 и 2, образуют двугранный угол 15-90°. Электроны входят в пространство между электродами через щель 3 или 4 в электроде 1, при этом на них действует поле электрода 2, заставляющее электроны выйти через другую щель в электроде 1. При этом электродная система имеет свойство телескопичности в сочетании с высокой дисперсией, что позволяет отказаться от входной линзовой системы. Слабая зависимость параметров от угла между электродами позволяет упрос- 1 тить юстировку. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.э 1 табл. собности и светимости устройства, а также упрощение его юстировки. На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый анализатор, общий вид; на фиг. 2 - сечение его плоскостью ху, перпендикулярной линии смыкания ( и проходящей через середины диафрагм} х, у, z - декартова система координат с началом в точке 0; ось z совпадает с линией смыкания полезадающих электродов: 1 - нижний полезадающий электрод , 2 - верхний полезадяющий элект- Р°Д; (Ро У1 между электродами, выв диапазоне от 15°до Л 90°. 5 (Я О5 СП со ьэ оо

12 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) 01) (51)5 Н 01 3 49/48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯИ

Г1РИ ГКНТ СССР

К А STOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ, (21) 4462711/21 (22) 18. 07.88 (46) 23.05.91 ° Бюл. Р 19 (71) Ленинградский политехнический институт им. Г1.И. Калинина (72.) Н.К.Голиков, С.II.Äàâûäoâ, С.Н.Романов, К.Г.Уткин и В.В.Чепарухин (53) 621.384(088.8) (56) Афанасьев В.П., Явор С.Я. Электрические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц. — И.: Наука, 1978, гл.2.

Зашквара В.В., Ашимбаева Б.У.

Электростатический электроанализатор

° на основе поля, близкого к однородно му. Журнал технической физики, 1979, т. 49, М- 9, с. 1809-1813., (54) АНАЛИЗАТОР ЭНЕРГИЙ ЗАРЯЖЕННЫХ

ЧАСТИЦ .(57) Изобретение относится к электрон-ной спектроскопии и масс-спектрометИзобретение относится к физической электронике, в частности электронной спектроскопии и масс-спектрометрии, и может быть использовано для создания монохроматичных потоков заряженных частиц, направленных на объект, исследуемъж методами вторичной спектроскопии, например на поверхность твердого тела или на объем, занятый атомарным либо молекулярным газом, а также дпя энергетического анализа в оже-спектрометрах.

Целью изобретения является одновременное повышение разрешающей спо2 рии и может быть использовано в качестве анализатора или монохроматора в аналитической аппаратуре. Целью изобретения является одновременное повышение разрешающей способности и светимости, а также упрощение юстировки. Устройство представляет собой плоские электроды 1 и 2, электрически изолированные один от другого.

Плоскости, в которых лежат электроды 1 и 2, образуют двугранный угол

15-90, Электроны входят в пространство между электродами через щель 3 или 4 в электроде 1, при этом на них действует поле электрода 2, заставляющее электроны выйти через другую щель в электроде 1. При этом электродная система имеет свойство телескопичности в сочетании с высокой дисперсией, что позволяет отказаться от входной линзовой системъ|. Слабая зависимость параметров от угла между электродами позволяет упростить юстировку. 1 3 II ф-лы, 2 ил. 1

1 табл. собности и светимости устройства, а т акже упр ощение er о юс тир ов ки.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый анализатор, общий вид; на фиг. 2 — сечение его плоскостью ху, перпендикулярной линии смыкания и проходящей через середины днафрагм1 х, у, z — декартова система коорпинач с началом в точке 0; ось г совпадает с линией смыкания полезадающих электродов; 1 — нижний полезадающий электрод, 2 — верхний полезадающий электрод; (P — угол между электродами, выбираемы в диапазоне от м 15 по C 90

1651328

Выбор величины {о в каждом конкретном а случае примененйя должен определяться требованиями к конструкции монохроматора, к режимам его работы (выбрапнЫм, например, из таблицы) и условия5 ми физического эксперимента, и предпочтительно должен быть в пределах

1 5-50

Гщ нственное обязательное условие для (состоит В тОМ, что этот угол должей быть достаточно большим„ чтобы ни одна из возможных траекторий электронов не. задевала верхний элект" род,. Дпя устранения искажения электро- 5 статического поля анализатора вблизи краев полезадающих электродов 1 и 2, в каждом конкретном случае можно по-разному ограничивать их размеры в направлениях х, у, z. В простейшем случае конструктивного варианта з::о достигается при соблюпении условий

jz — в Зхг, Г 0,1х1; 1," 2х„.

С той же целью вблизч границ электродов 1 и 2 можно устанавливать дополнительные электроды. Входная диафрагма 3 имеет ширину Н и длину Г, Выходная диафрагма ч — ширину Н и длину

Г, Первичный ленточный поток 5 элект=

Ронов направляетс-. с помолью элект30 ровной пушки Во входную диафра му под углОм к Оси х так> чтО все тРаЕКтоРИИ ЭЛЕКтроНОВ ЛЕжат В ПЛОСкостях, параллельных плоскости ху.

Нирина ленточного потока Равна длине щелей F, а толщина его Р = Ч„sip 8,.

На верхний электрод 2 подается отрицательный относительно нижнего электрода 1 потенциал. Первичный поток, влетающий во входную диафрагму 3, подвергается воздействию поля электрода. Траектории электронов изгибаются в поле так, как .это изображено на фиг. 2. При этом Одновременно про- 45 исходят два процесса. Первичный поток разделяется на монокинетичные пучки,L как это происходит в любом монохроматоре. На фиг. 2 изображены три таких пучка, где б-1 1 возможные траектории

J электронов, средний ленточный пучок образован электронами с первичной энерг. ей Е„„ его кРайние траектории обозначены цифрами 8 и 9. Левый и правый пучки, ограниченные крайними

55 траекториями б, 7 и 10, 11, сформиронаны из электронов с первичной энергией =с" + /2 и = — Л Е;,/2 соответственно.

Уменьшается толщина ленточного потока вследствие принципа подобия, действующего в электростатическом поле, формируемом в пространстве между электродами. Скалярный потенциал электростатического поля диспергирующего элемента описывается выражением

Ф = А. arctp — х где А — постоянный коэффициент, зависящий от выбора системы физических величин и потенциала верхнего электрода. Эквипотенциали поля представляют собой полуплоскости, смыкающиеся на Оси z, причем координаты точек, принадлежащих кахдой из"эквипотенциалей, удовлетворяют условиям — — tgó=- const, я — произвольная.

У

Таким образом, геометрическое положение каждой эквипотенциали-полунлоскости и значение ее потенциала Ф при выбранной системе физических величин однозначно определяется величиной двуграннрго угла Р который эквилотенциаль образует с плоскостью xz.

Б частности, при(= 1 рад значение потенциала численно совпадает с коэффициентом А, а при (О (плоскость

xz) потенциал Ф равен нулю. Поле имеет особенность на оси z где сходятся все эквипотенциали. Поскольку потенциал (1) зависит от отношения координат у/х, т.е. является однородной функцией координат х и у нулевой кратности, то в поле действует особый закон подобия траекторий. Он заключается в том, что при смещении точки вылета частицы вдоль оси х при сохранении ее начальной кинетической энергии и направления движения траектоРии частицы сохраняют свою геометрическую форму, растягиваясь или сокращаясь пропорционально расстоянию от точки вылета до оси z. 1(ак следствие этого, оказывается, что при пересечении любой эквипотенциали поля (1), параллельным монокинетичным пучком последний испытывает телескопическое преобразование: пучок остается параллельным, но толщина его сечения эквипотенциалью прямо пропорциональна расстоянию между осью z и точкой пересечения с этой эквипотенциалью. В частности„.при возвращении пучка на нулевую эквипотенциаль толщина его Р изме1б 51 328 няется согласно соотношению

Pt х, sing, х sine (2) е

W еА — приведенная энергия электронов первичного потока или отношение средней энергии электрона в первичном потоке к потенциальной энергии, которую получает электрон при увеличении его полярной координаты на единицу (т.е. на 57,3 ), здесь е - заряд электрона;

h0 4)1- 9 - угол поворота траектории электрона после вылета через выходную диафрагму

Р, Йха

Л= - — — — приведенная линейная дисх d персия электростатического зеркала (элемента)a..

И = — = — - †. - коэффициент телеско

Р х,s in8i и

Р х sing пичности;

С = — — — коэффициент угловой 1хг аберрации.

За характерную длину принята величина х = 1.

1 где х 1, х 2 — координаты точек влета и вылета потока из области поля;

Р, Р - толщина потока параллельно

Метящих электронов при влете и вьле.те из области поля соответственно;

9 — соответствующие углы влета и вылета потока относительно нулевой эквипотенциали. Р/s in Π— толщина сечения пучка нулевой эквипотенциалью

Зависимость (2) отражена на фиг.2.

Размеры входной и выходной диафрагм предлагаемого элемента монохроматора связаны между собой соотношением

И /х1 = xL/ХФ.

С помощью ЗВМ был пРоанализиРован вид траекторий электронов, движущих ся в плоскости ху, диспергирующне, фокусирующие и телескопические свойства поля (1). В таблице приведены некоторые результаты расчета, иллюстрирующие возможности анализатора на основе поля (1). Использованы следующие обозначения, не указанные ранее на рисунках и в тексте: л

1(ак следует нз результатов расчета, выборочно представленных в таблице, на основе поля (1) можно сконструировать анализаторы н монохроматоры, обладающие широким набором наперед заданных характеристик. Для конструирования первого каскада монохроматора хорошо подходит режим работы 1, 10 параметры которого приведены в первой строке таблицы. В этом режиме относительно большие значения принимают одновременно три параметра:)D(, )D)/х, М. Благодаря высокой дисперсии D происходит эффективное разделение первичного пучка на монокинетичные составляющие. То, что )D1/х 10, означает, что выделение одной составляющей из общего потока можно произ20 вести примерно в 10 раз эффективнее, чем в 127-градусном дефлекторе, где

1И /х ID(= 1, поскольку ширину выходной диафрагмы можно без ущерба для интенсивности сделать в 10 pas

25 меньше ширины входной диафрагмы, Наконец, коэффициент телескопичности

M = 4,5, и, следовательно, в первом режиме отпадает необходимость в согласующей линзе между каскадами мо30 нохроматизации.

Если нельзя пренебречь угловой расходимостью первичного пучка, лучше использовать режим 2, в котором осуществляется фокусировка первого порядка по углу 0 (С = О).

В случае, если требуется сильное сжатие пучка, предпочтителен режим

3, где M = 27. Из таблицы видно, что при использовании предлагаемого

40 анализатора можно подобрать различные режимы его работы, значительно отличающиеся коэффициентом телескопичности (режимы 2, 3, 4). Таким образом, можно использовать данный анализатор как телескопическое устройство, сужающее или расширяющее (при инвертированном движекии заряженных частиц) ленточные потоки заряженных частиц.

Можно подобрать также режимы работы, значительно отличающиеся друг от друга величиной угла поворота (режимы 1, 2).

В целом перечисленные возможности обеспечивают большое число разноцелевых вариантов при конструировании аппаратуры для электронной спектроскопии и масс-спектрометрии.

1651328 1 Режим работ

1 26 49 75 "Оэ26 1 ° 6 Ое l2 1 в 22 10 ° 25 4 ° 5

2 - 22 109 131 О. 1,4 0,05 0,22 4,41 8,3

3 18 94 112 О 1,9 0 012 О 11 9,1. 27

4 37 56 93 О 0,5 0,36 0,35 0,97 2

Формула изобретения.1. Анализатор энергий заряженных частиц, состоящий из двух плоских электродов с двумя диафрагмами пря5 моугольной формы, выполненных в одном иэ них, отличающийся тем, что, с цепью одновременного повышения разрешающей способности и светимости анализатора, а также упрощения юстировки, электроды расположены в плоскостях, расположенных под углом 15-90, центры диафрагм располоа жены на оси, перпендикулярной линии пересечения плоскостей, в которых расположены электроды, две стороны каждой диафрагмы параллельны abtшеупомянутой линии пересечения плоскостей, причем размер диафрагм вдоль указанной оси прямо пропорционален расстоянию от центра соответствующей диафрагмы до линии пересечения плоскостей.

2. Анализатор по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что он выполнен многокаскадньм.

1651328

I Составитель К. Меныпиков

РедактоР О.Стенина ТехРед М.Дипык

Корректор С. Шекмар

Заказ 1981 Тирам 322 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, 3-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101