Способ анализа пучка заряженных частиц по энергиям и устройство для его осуществления (циклоидальный анализатор)

 

Изобретение относится к физической электронике и может быть применено для формирования и анализа пучков заряженных частиц малых энергий. Движущийся вдоль однородного магнитного поля пучок вводят в поперечно-неоднородное электрическое поле, эквипотенциальные поверхности которого являются коаксиальными цилиндрическими. Отбор частиц по энергиям производится с помощью диафрагмы, Неоднородность поперечного поля увеличивает разрешающую способность и пропускание . Устройство содержит помещенные в однородное магнитное поле внутренний 1 и внешний 2 цилиндрические электроды, входную 3 и выходную 4 диафрагмы. Электроды 1 и 2 создают неоднородное поперечное электрическое поле, в котором частицы отклоняются, а величина отклонения зависит от их скорости. 2 с.п.ф-лы, 3 ил. Физ.1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 J 49/48

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4840868/21 (22) 28.04,90 (46) 23,08,92.Бюл.¹ 31 (71) Ужгородское отделение И нститута ядерных исследований АН УССР (72) Н.И.Романюк, Ф.Ф.Папп, И,В.Чернышова и О.Б.Шпеник (56) Фридрихов С,А, Энергоанализаторы и монохроматоры для электронной спектроскопии. — Изд, Ленинградского ун-та, 1978, с.159.

Козлов И,Г. Современные проблемы электронной спектроскопии, — М.: Атомиздат, 1978, с.248, Авторское свидетельство СССР

¹.1023953, кл. Н 01 J 49/48, 1981, Авторское свидетельство СССР

¹1236972, кл. Н Oi J 49/48, 1981, Авторское свидетельство СССР

¹ 1074310, кл. Н 01 J 49/48:

Авторское свидетельство СССР

¹ 1095848, кл. Н 01 J 49/44, 1981.

Кролл Н„Трайвелпис А. Основы физики плазмы,— М.: Мир, 1975, с,525.

Стаматович А„Шульц Г. Характеристики трохоидального монохроматора электронов//ПНИ, 1970, ¹ 3, с.115-119.

Мак-Миллан, Мур, Оптимизация трохоидального монохроматора электронов

//ПНИ, 1980, ¹ 7, с.84-91.

Афанасьев.В.П„Явор С.Я, Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц.-М„Наука, 1978, с.224.

Корн, Корн Т. Справочник по математике.— М.: Наука, 1973, с.831. (54) СПОСОБ АНАЛИЗА ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО ЭНЕРГИЯМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ЦИКЛОИДАЛЬНЫЙ АНАЛИЗАТОР) (57) Изобретение относится к физической электронике и может быть применено для формирования и анализа пучков заряжен,, Я2,, 175б973 А1 ных частиц малых энергий. Движущийся вдоль однородного магнитного поля пучок вводят в поперечно-неоднородное электрическое поле, эквипотенциальные поверхности которого являются коаксиальными цилиндрическими, Отбор частиц по энергиям производится с помощью диафрагмы, Неоднородность поперечного поля увеличивает разрешающую способность и пропускание, Устройство содержит помещенные в однородное магнитное поле внутренний 1 и внешний 2 цилиндрические электроды, входную 3 и выходную 4 диафрагмы. Электроды 1 и 2 создают неоднородное поперечное электрическое поле, в котором частицы отклоняются, а величина отклонения зависит от их скорости. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

1756973 меньшее расстояние, чем частицы, вошедшие в область дрейфа у отрицательной пластины, Это приводит к ухудшению разрешения, а также уменьшает коэффици5 ент пропускания анализатора.

Цель изобретения — одновременное улучшение разрешения по энергиям и повышение пропускания при анализе заряженных частиц малых энергий (десятые доли

10 электронвольта).

Для достижения указанной цели пучок заряженные частиц вводится в неоднородное поперечное электрическое поле, эквипотенциальные поверхности которого

15 являются цилиндрическими поверхностями, с образующими, параллельными силовым линиями магнитного поля. Совместное действие скрещенных электрического Е и магнитного В полей приводит к циклоидаль20 ному движению в направлении, перпендикулярном как электрическому. так и магнитному полям. Скорость дрейфа Чо в этом направлении равна

Е В

Vo г где Š— составляющая электрического поля, перпендикулярная магнитному полю. Из

30 (1) следует, что дрейф происходит вдоль эквипотенциальных поверхностей попсречного электрического поля. В области дрейфа частица пребывает время t, равное! — (Чи -ф(ху)) j где L — длина анализатора;

40 е — заряд частицы;

m — масса частицы; чц — скорость продольного движения частицы;

Чл — энергия продольного движения частицы; .ф(х,у) — потенциал электрического поля в то гке влета с координатами (х,у), Длина дуги дрейфового движения, которую опишет ведущий центр эа время t, равна

Изобретение относится к физической электронике и может быть использовано для формирования и анализа пучков электронов малых энергий при исследовании поверхности вещества и процессов электронно-атомных столкновений.

В электронной спектроскопии известно несколько способов анализа энергий заряженных частиц, движущихся в продольном магнитном поле, использующих диспергирующие свойства как магнитного, так и электрического полей. Однородное магнитное поле используют в анализаторах с тормозящим полем, Известны также анализаторы с неоднородным магнитным полем, убывающим или возрастающим в области торможения, что делает возможным анализ электронов не только по продольной, но и по полной составляющей скорости электронов.

Первые обладают тем недостатком, что для определения энергетического спектра необходимо дифференцировать интегральную характеристику — кривую задержки, вторые имеют сложную систему формирова- 25 ния магнитного поля, на которую к тому же накладываются ограничения на скорость изменения магнитного поля.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, при котором движущийся вдоль силовых линий однородного магнитного поля пучок частиц вводят в поперечное электрическое поле плоского конденсатора, а две диафрагмы, перпендикулярные магнитному полю, задают попе- 35 речные размеры пучка на входе и выходе из области дрейфа.

В области дрейфа вследствие совместного действия скрещенных магнитного и электрического полей, частицы дрейфуют вдоль эквипотенциальных поверхностей поля плоского конденсатора в направлении, перпендикулярном как магнитному, так и электрическому полям. Выходная диафрагма анализатора, отверстие в которой смещено относительно входного, выделяет частицы с определенной составляющей продольной скорости.

Недостатком такого способа анализа энергией частиц является зависимость величины смещения частицы на выходе анализатора от координаты влета в область дрейфа, что вызвано действием краевого поля плоского конденсатора. Например, частицы с отрицательным зарядом, влетаю- 55 щие в область дрейфа ближе к положительной пластине конденсатора, вследствие действия краевого поля конденсатора доускоряются, в результате чего на выходе из анализатора продрейфуют на

D(xy) = f I VD(xy) l dt =

О (3)

= — B Е (ху) I dt, Если выходное отверстие смещено относительно входного на величину D, на вы1756973

=О дх ду (4) 20

Выполнение этих условий достижимо s том случае, если знак разности потенциалов между точкой ввода в электрическое поле и центром кривизны эквипотенциальной поверхности, проходящей через эту точку, сов- 25 падает со знаком заряда анализируемых частиц. Другими словами, частицы, находящиеся в области дрейфа меньшее время. должны вводиться в анализатор в точке с большей напряженностью электрического 30 поля, или, что то же самое, с большей скоростью дрейфового движения. В этом случае изображение входной щели на выходе анализатора будет испытывать наименьшие искажения. 35

Конкретная реализация предлагаемого устройства связана с использованием в качестве источника неоднородного электрического поля двух коаксиальных цилиндрических электродов и применени- 40 ем его для анализа энергий электронов, На фиг.1 показана схема действующих в устройстве скрещенных полей и предлагаемый анализатор: нэ фиг,2 — поперечные сечения трохоидального и гипоциклоидаль- 45 ного анализатора, а также поперечные сече-: ния пучка на выходе анализаторов для указанных энергией электронов; на фиг,3— расчетные(сплошная кривая) и экспериментальные (точки) энергетические распределе- 50 ния электронов на выходе из трохоидального и гипоциклоидальйбго электронного монох роматоров.

Анализатор содержит внутренний 1 и внешний 2 цилиндры конденсатора, входную 3 и выходную 4 диафрагмы, Ег- радиальная составляющая электрического поля,  — магнитная индукция одноход пропускаются только re частицы, скорость которых удовлетворяет формуле (3). Таким образом, осуществляется отбор по энергии, Согласно формуле (2) время пребыва- 5 ния в области дрейфа зависит от координаты влета. Из (3) видно. что величина дрейфа зависит также от электрического поля. 3адэча состоит в выборе такой конфигурации. поля, которая бы позволила скомпенсиро- 10 вать зависимость D(x,у) от времени t. т,е пучок частиц необходимо вводить в точке слабой зависимости D(x,у) от координаты влета (x,у). Такими точками являются точки экстремумов, для которых выполняются ус- 15 ловия родного магнитного поля, в которое помещен весь анализатор.

Анализатор работает следующим образом.

Электронный пучок направляется вдоль магнитного поля во входное отверстие анализатора. За входной диафрагмой 3 электроны входят в область поперечного электрического поля, создаваемого между внутренним 1 и внешним 2 цилиндрами. Совместное действие скрещенных электрического Е и магнитного В полей приводит к циклоидальному движению в направлении, перпендикулярном как электрическому, тэк и магнитному полям. Скорость дрейфа в этом направлении равна Vo= B, а величиEã на смещения у выходной диафрагмы 4 зависит от величины продольной скорости электрона нл и равна (5) 0=

В нл

Ф(г)» fn —, V2 V1 г, 1„г2 го

r> и г — Vt

Г= г °

r In—

r> где V> и Чг — потенциалы внутреннего и внешнего цилиндров соответственно; го — радиус-вектор центра входного отверстия анализатора.

Так как ни=(-2у (Чи+Ф(г))1 2, (8) где D — смещение электрона на выходе анализатора;

L — длина анализатора;

Š— электрическое поле:

 — магнитная индукция; ни — скорость продольного движения электронов.

Если выходное отверстие в диафрагме 4 смещено относительно входного на величину D, на выход пропускаются только те электроны. скорость которых удовлетворяет формуле (5). Таким образом, осуществляется отбор по энергии.

Пусть радиусы внутреннего и внешнего цилиндров равны rt и гг соответственно

{фиг,2); r — радиус — вектор точки, в которой электрон входит в пространство дрейфа, Распределение потенциала Ф(г) и электрическое поле Ег между цилиндрами зависит от r следующим образом:

1756973 где у= — e =1,76 10"—

m кг

15

20 из (5) получим угол р, на который продрейфуют электроны на выходе анализатора

Э L F»

Б r (2 q(Vr+cb (r)) j (9) Угол дрейфа не будет зависеть от r npu выполнении условия d (/>/d)=0, откуда получаем

Ч2 — Ч1 — — 4 (10)

Vll и Г 2Я ) л7 или l1/l2= е (((11) где ЛЧ=Ч2-Ч1, Vl1 — энергия пропускания анализатора, выражение для которой можно получить из формул (5}-(8) Ч 1 V2- Ч1 2 1- (12)

2 (Inllr27ã )1 „4 . р 2

Исходя из смысла входящих в формулу (9) величин, получаем., что для выполнения этого соотношения необходимо Ч2-Ч1< О, т.е. потенциал внутреннего цилиндра должен поддерживаться положительным по отношению к внешнему, Вследствие того, что скорость электронов чц внутри области дрейфа зависит от координаты влета согласно формуле (8), электроны входящие в анализатор у внутреннего цилиндра, будут иметь большую скорость, чем у внешнего, Однако электрическое поле между цилиндрами неоднородно, поэтому скорость дрейфа у внутреннего цилиндра также будет больше, отношение

Е/(г чц), определяющее угол р на выходе из анализатора, будет сохраняться приблизительно постоянным при выполнении условия (10), а форма пучка на выходе анализатора должна мало отличаться от входного, При этом электроны в пространстве дрейфа описывают траектории, проекции которых на плоскость, перпендикулярную магнитному полю, имеют вид гипоциклоиды, т.е, кривой, которую описывает точка круга, катящегося без проскальзывания по внутренней стороне окружности, радиус которой совпадает с

45 радиус-вектором точки влета электрона в пространство дрейфа, На фиг,2 показаны рассчйтанные профили электронного пучка на выходе анализаторов при разности потенциалов Ч2-V1, удовлетворяющей формуле (10), Видно, что в случае гипоциклоидального анализатора профили электронного пучка на выходе анализатора, а отличие от трохоидального анализатора, не перекрываются выходной щелью. Это означает, что рассмотренная конфигурация обладает более высоким разрешением, чем трохоидальный анализатор, Для электронов, энергия которых удовлетворяет (10) (в данном случае 0,215 эВ), отклонение выходного профиля от цилиндрического минимально, что делает возможным увеличение коэффициента пропускания более. чем в два раза для одинаковых входного и выходного отверстий диаметром 0,4 мм(до

90 о/ ) Дл", сравнения характеристик трохоидально. о и гипоциклоидального монохроматоров измерены энергетические распределения электронов на их выходах и проведено сравнение с расчетными распределениями, В расчетах принималось, что во входную щель монохроматора диаметром

0.4 мм входит поток электронов с равномерным распределением по энергии. Злектрон считается вышедшим из монохроматора, если координата вылета из монохроматора лежит внутри выходного отверстия анализатора. На фиг,З показано распределение, полученное при параметрах, удовлетворяющих выражению (10). Как видим, экспериментальные распределения хорошо совпадают с расчетными, причем уменьшение ширины распределения h_#_1/2 более, чем в два раза (от 0,13 эВ до 0,05 эВ) получено при сохранении величины выходного тока. Расчет также показывает, что площади под кривыми (т,е. мера выходного

ToK3) совпадают, Для гипоциклоидального монохроматора длиной 1=20 мм, радиусами цилиндров г1=1,5 мм и г2=-2,5 мм, радиусах входного и выходного отверстий 0,2 мм, смещенных относительно друг друга на угол л/2, при величине магнитной индукции 160 Гс(1,6 10

Тл) и разности потенциалов Ч2-V1=--0,44 В получена ширина энергетического распределения ЖМ1/2= 0,05 эВ против 0,13 эВ у известного при том же выходном токе. Использование этой же конфигурации в качестве анализатора электронов позволило более чем в два ра".à увеличить пропускание анализатора (с 30 / до 90-100%).

1756973

Формула изобретения

1. Способ анализа пучка заряженных частиц по энергиям, в котором движущийся вдоль однородного магнитного поля пучок вводят в поперечное электрическое поле, где производят отбор частиц по продольной скорости, о тл и ч а ю щи йс я тем, что с целью одновременного улучшения разрешения по энергиям и увеличения пропускания, в качестве поперечного электрического поля используют неоднородное поле, эквипотенциальные поверхности которого являются цилиндрическими поверхностями, образующие которых параллельны вектору напряженнбсти магнитного поля, а ввод заряженных частиц в электрическое поле осуществляется так, что знак разности потенциалов между точкой ввода и центром кривизны.эквипотенциальной поверхности, проходящей через эту точку, совпадает со знаком заряда анализируемых частиц.

2. Устройство для анализа пучка заряженных частиц по энергиям (циклоидальный анализатор), содержащее помещенные в однородное магнитное поле входную и

5 выходную диафрагмы, плоскости которых перпендикулярны магнитному полю, установленные между диафрагмами электроды для создания поперечного электрического поля, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью

10 однородного улучшения разрешения по энергиям и увеличен@я пропускания, электроды для создания поперечного электрического поля выполнены в виде пары коаксиальных цилиндров, ось которых па15 раллельна магнитному полю, а центры входного и выходного отверстий в диафрагмах расположены на одинаковых расстояниях r (м) от оси, причем r1 и rz (м), радиусы внутреннего и внешнего цилинд20 ров соответственно.

1756973

0,25 0,5

Фиг. 5

Составитель Н.Катинова

Техред М,Моргентал Корректор Е.Папп

Редактор Г,Гербер

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

Заказ 3093 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Способ анализа пучка заряженных частиц по энергиям и устройство для его осуществления (циклоидальный анализатор) Способ анализа пучка заряженных частиц по энергиям и устройство для его осуществления (циклоидальный анализатор) Способ анализа пучка заряженных частиц по энергиям и устройство для его осуществления (циклоидальный анализатор) Способ анализа пучка заряженных частиц по энергиям и устройство для его осуществления (циклоидальный анализатор) Способ анализа пучка заряженных частиц по энергиям и устройство для его осуществления (циклоидальный анализатор) Способ анализа пучка заряженных частиц по энергиям и устройство для его осуществления (циклоидальный анализатор) 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к электронной и ионной спектроскопии

Изобретение относится к спектроскопии пучков заряженных частиц и может быть использовано при создании светосильных энергоанализаторов высокой разрешающей способности для исследования энергоугловых распределителей в потоках заряженных частиц малых и средних энергий

Изобретение относится к спектроскопии пучков заряженных частиц и может быть .использовано для создания электростатических энергоанализаторов с высокой светосилой , обладающих высокими 22 разрешающей способностью, чувствительностью и хорошей эффективностью работы в сверхвысоковакуумных электронных спектрометрах

Изобретение относится к устройствам для анализа распределения заряженных частиц и может быть использовано при физико-химическом анализе твердого тела в вакууме

Изобретение относится к области электроннолучевой техники и может быть использовано в растровой электронной микроскопии

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

Изобретение относится к технике электростатического анализа заряженных частиц по энергиям

Изобретение относится к технике измерения энергий заряженных частиц и может быть использовано дяя измерения спектра бета-частиц w электронов конверсии, испускаемых при радиоактивном распаде ядер, рентгеновских, фотои оже-электоонов, эмоттируемых под действием различных излучений в исследованиях структуры вещества , и мягких заряженных частиц в космическом пространстве

Изобретение относится к устройствам для регистрации энергетических спектров заряженных частиц, в частности электронов, и может быть использовано, например, в фотоэлектронной спектроскопии при исследовании поверхности твердых тел

Изобретение относится к спектроскопии потоков заряженных частиц и может быть использовано при создании электростатических энергоанализаторов с высокой разрешающей способностью по энергии, высокой чувствительностью, простых в конструктивном исполнении и экономичных, для исследований потоков заряженных частиц в космосе или в плазме

Изобретение относится к области исследования и анализа материалов радиационными методами и может быть применено для диагностики структуры и состава поверхности и приповерхностных слоев твердых и жидких тел

Изобретение относится к области фокусирующих систем электронной и ионной оптики

Изобретение относится к способам и устройствам, обеспечивающим анализ потоков заряженных частиц по массам с помощью электромагнитных полей, и может быть использовано для определения элементного или изотопного состава плазмы рабочего вещества

Изобретение относится к растровой электронной микроскопии (РЭМ) и предназначено для получения изображений отдельных тонких глубинных слоев исследуемого объекта в режиме регистрации отраженных электронов (ОЭ)

Изобретение относится к физической электронике, в частности, к электронной и ионной спектроскопии, и может быть использовано для анализа по энергиям и направлениям движения потоков заряженных частей, эмиттируемых поверхностью твердого тела или испускаемых из объема газа
Изобретение относится к физической электронике и может быть использовано в электронных спектрометрах, обладающих угловым разрешением, составляющим десятые доли градуса и меньше, и энергетическим разрешением Е, меньшим величины теплового разброса электронов Ес 0,2 - 0,6 эВ, эмиттированных катодом пушки

Изобретение относится к спектрометрии корпускулярных излучений, преимущественно к исследованию энергетических спектров космических частиц на ИСЗ и космических аппаратах

Изобретение относится к приборам для анализа заряженных частиц по углу и энергии и может применяться для исследования поверхности вещества, плазмы, процессов электронных и атомных столкновений
Наверх