Времяпролетный атомный зонд с компенсацией разброса кинетических энергий ионов

 

Изобретение относится к высоколокальным методам масс-спектрометрического анализа твердых тел, в частности к устройствам для определения химического состава веществ, посредством анализа одиночных ионов. Целью изобретения является улучшение массогабаритных характеристик, упрощение процесса юстировки ионного пучка и расширение класса исследуемых материалов. Зонд содержит дрейфовую камеру, держатель образца, микроканальный усилитель яркости автономных изображений, смотровое зеркало, двухзазорный отражатель ионов, детектор ионов, генератор импульсов напряжения регулируемой амплитуды, таймер, источник регулируемого постоянного напряжения, делитель напряжения, состоящий из постоянных резисторов с образцом, и делитель напряжения, предназначенный для подачи напряжения на управляющий электрод отражателя. 1 ил.

Изобретение относится к высоколокальным времяпролетным методам масс-спектрометрического анализа твердых тел, конкретнее к устройствам, с помощью которых определяется химический состав вещества (металлы и полупроводники) посредством анализа одиночных ионов, образующихся в процессе поатомного испарения материала игольчатого образца в высоком электрическом поле. Данные устройства, обладающие пространственным разрешением на атомном уровне и возможностью испарения отдельных атомов или слоев атомов, получили название атомный зонд. Цель изобретения - улучшение массогабаритных характеристик, упрощение процесса юстировки ионного пучка и расширение класса исследуемых материалов. На чертеже показана структурная схема устройства. Времяпролетный атомный зонд с компенсацией разброса кинематических энергий ионов содержит дрейфовую камеру 1, в которой размещены держатель образца 2, микроканальный усилитель 3 яркости автоионных изображений с отверстием в центре, смотровое зеркало 4 с отверстием в центре, двухзазорный отражатель 5 тонов и детектор 6 ионов, генератор 7 импульсов напряжений регулируемый амплитуды, таймер 8, источник 9 регулируемого постоянного напряжения, выход которого соединен с отражателем электродом отражателя 5 и через делитель 10 напряжения, состоящий из постоянных резисторов, с образцом. С помощью делителя 11 напряжения, состоящего из резистора R3, R4, осуществляется подача напряжения U_у на направляющий электрод отражателя. Устройство работает следующим образом. Под действием постоянного напряжения U_пост подаваемого на образец через делитель 10 от источника 9 напряжения, происходит ионизация изображающих газов (гелий, неон, водород). На люминесцентном экране усилителя яркости 3 создается изображение поверхности образца в ионах изображающих газов (автоионное изображение). Световой поток, несущий информацию об автоионном изображении, с помощью смотрового зеркала 4 выводится наружу. Перемещением образца в двух взаимно перпендикулярных плоскостях сканируют пучок ионов изображающих газов относительно отверстия в усилителе 3 яркости до тех пор, пока анализируемый объект не разместится над указанным отверстием. После этого на образец подается импульсное напряжение амплитудой U_имп от генератора 7, под действием которого происходит испарение материала образца и запуск таймера 8. Образующиеся ионы металлов проходят отверстия в усилителе 3 яркости, смотровом зеркале 4, поступают в отражатель 5 и, отразившись от него, попадают на детектор 6. Детектор 6 вырабатывает импульс напряжения, который прекращает отсчет времени в таймере 8. По времени пролета ионов от образца до детектора определяется их отношение масс/ заряд. До уверенной регистрации ионов с максимальной энергией qU_пост + U_имп отношение R1/R2 в делителе напряжения 1 2 выбирают больше отношения U_имп/U_пост. В этом случае напряжение питания отражателя будет превышать суммарное напряжение на образце U_пост + U_имп, а это, в свою очередь, требует увеличения глубины отражателя, чтобы обеспечить оптимальное значение напряженности поля в отражателе. Достижимость поставленной цели обусловлена тем, что в ионно-оптических устройствах с отражателем ионов осуществляется пространственно-временной принцип фокусировки ионов: ионы определенного сорта с энергией в диапазоне от qU_мин до qU_макс походят область дрейфа от образца до отражателя и, отразившись от определенных эквипотенциальных поверхностей, поступают на детектор одновременно. Это происходит благодаря тому, что ионы с энергией qU_макс проходят больший путь в отражателе, чем ионы с энергией qU_мин. Для фокусировки отраженных ионов на входной плоскости детектора необходимо, чтобы напряженность поля в отражающем зазоре отражателя выбиралась из условия E= 6M_мин/γδL (1) где L - полная длина дрейфа ионов; γ δ- безразмерные табличные коэффициенты, выбираемые в соответствии с соотношением U_макс/U_мин. При этом глубина отражателя (ширина отражающего зазора) d_отр= (U_отр-U_у)/E (2) Эффективное отражение ионов с энергией от qU_мин до U_максобеспечивается установкой напряжения U_y = U_мин β(2с) на управляющем электроде и напряжения U_отр>U_макс= U_пост+U_имп (3) на отражающем электроде. В отличие от прототипа энергия ионов уже не играет определяющей роли ни в выборе длины дрейфа, ни в определении размеров отражателя. Длина дрейфа выбирается исходя из требуемой разрешающей способности, а глубина отражателя - исходя из разброса кинетических энергий ионов. Вопросы юстировки ионного пучка практически отсутствуют, так как в зависимости от его размеров устанавливается соответствующий диаметр входного отверстия отражателя. Для управления устройством в широком диапазоне изменения постоянного напряжения U_пост можно считать, что разброс кинематических энергий ионов задается установленным отношением импульсного напряжения к постоянному, и. е. амплитудой испаряющего импульса. Такое допущение вполне оправдано, так как даже при значительном отношении импульсного напряжения к постоянному 0,4, теоретическая разрешающая способность масс-спектрометра с двухзазорным отражателем ионов равно 1100 (3), т. е. той же величины, что и у пpототипа. Тогда, в соответствии с выражениями (1) и (2) напряженность поля в отражателе будет пропорциональна U_пост, а глубина отражателя d_отр в широком диапазоне изменения напряжения U_постбудет одна и та же. Таким образом, между постоянным напряжением на образце U_пост и напряжением питания отражателя U_отр устанавливается прямая пропорциональность, что дает возможность использовать один источник постоянного регулируемого напряжения, выход которого подключается к отражающему электроду и через делитель напряжения, состоящий из постоянных резисторов R₁, R₂ к образцу. При этом U_отр= U_пост(1+R₁/R₂) (4) Из сравнения выражений (3) и (4) находим, что отношение R₁/R₂>U_имп/U_пост (5) Изготовлен макет устройства с расстоянием образец-отражатель 0,6 м, глубина отражателя равна 0,06 м. При полной длине дрейфа 0,94 м и временном разрешении таймера ±2 не достигнуто разрешение 1000. Малая длина пролетной части разработанного устройства позволила перейти к вертикальной установке элементов конструкции и дрейфовой камеры. Это обстоятельство, наряду с меньшими чем у прототипа габаритами и массой как самого устройства, так и вакуумного поста, позволило сократить и площадь служебного помещения под данное устройство до 3 м². Таким образом, в предложенном устройстве разрешающая способность достигается за счет пространственно-временной фокусировки ионов, что дает возможность упростить его юстировку и управление в широком диапазоне изменения радиуса кривизны образцов, эффектно использовать устройство для исследования структуры как металлов, так и для полупроводников. Кроме того, малые габариты, простота конструкции устройства могут способствовать его распространению в повсеместной лабораторной практике как для исследования структуры вещества на атомном уровне, так и для изучения физики поверхности в сильных электрических полях. (56) Мюллер, Панитц, Мак-Лейн. Ионный микуропроектор с атомным зондом. Приборы для научных исследований. 1968, т. 39, N 1, с. 85-88. Нисикава и др. Новый время-пролетный атомный зонд высокого разрешения по массам. Приборы для научных исследований. 1981, т. 52, N 6, с. 26-35. Шмикк Д. В. Дубенский Б. М. Отражатель масс-рефлектрона, ЖТФ, 1984, т. 54, N 5, с. 912-916.

Формула изобретения

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ АТОМНЫЙ ЗОНД С КОМПЕНСАЦИЕЙ РАЗБРОСА КИНЕТИЧЕСКИХ ЭНЕРГИЙ ИОНОВ, содержащий камеру дрейфа, в которой размещены держатель образца и детектор ионов, источник регулируемого постоянного напряжения и генератор испаряющих импульсов регулируемой амплитуды, подключенные к держателю образца, отличающийся тем, что, с целью улучщения массогабаритных характеристик, упрощения процесса юстировки ионного пучка и расширения класса исследуемых материалов, в него введен отражатель ионов, отражающий электрод которого соединен с выходом источника регулируемого постоянного напряжения, а держатель образца подключен к средней точке дополнительно введенного делителя напряжения, состоящего из двух резисторов, один из выводов которого подключен к выходу источника постоянного напряжения, а другой вывод - к земляной шине.

РИСУНКИ

Рисунок 1