СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Российский патент 1994 года по МПК H01J37/09 

Изобретение относится к методам физических исследований и может быть использовано в электронной (ионной) оптике для экспериментального измерения, анализа и оптимизации характеристик разнообразных электронно(ионно)-оптических систем (ЭОС и ИОС), предназначенных для сбора, фокусировки, формирования, отклонения, транспортирования, а также энерго-и масс-анализа пучков заряженных частиц, в учебных целях для проведения лабораторных работ по курсу "Электронная и ионная оптика".

Известен способ регистрации характеристик ионно-оптических систем с использованием пучков возбужденных ионов 1. По этому способу визуализированный пучок ионов, имеющий долгоживущие возбужденные состояния, пропускают через ИОС, содержащую заданное электрическое либо магнитное поле, и производят регистрацию всей траектории пучка в целом, например, путем фотографирования. Важно отметить, что помимо нахождения траектории ионного пучка в поле исследуемой ИОС (прямая задача ионной оптики), рассматриваемый способ допускает решение обратной задачи - определение характеристик самой ИОС. Впервые такая возможность продемонстрирована способом [2] , по которому наиболее эффективно обратная задача решается путем создания условий, обеспечивающих прямое измерение некоторых характеристик ИОС. Эти условия выбирались таким образом, что входящему в ИОС ионному пучку задавали определенную статическую конфигурацию, при которой прошедший ИОС пучок собирается в ее фокусах. Простейшая использованная статическая конфигурация - симметричный относительно оптической оси ИОС параллельный пучок с большим диаметром поперечного сечения. Способ [2] является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и включает создание пучка испускающих оптическое излучение долгоживущих возбужденных ионов, задание пучку статической конфигурации в виде параллельного потока с большим поперечным сечением, пропускание его через исследуемую ИОС и регистрацию его визуализированной траекто- рии, по которой определяют характеристики ИОС.

Целью изобретения является повышение чувствительности, точности и информативности способа путем создания возможности прямого измерения кардинальных элементов и аберрационных характеристик ИОС.

Цель достигается тем, что согласно способу определения характеристик ИОС, включеющему создание пучка испускающих оптическое излучение долгоживущих возбужденных ионов, пропускание пучка через ИОС и регистрацию визуализированной траектории пучка, по которой судят о характеристиках ИОС, новым является то, что формируют зондирующий пучок ионов с диаметром d поперечного сечения, много меньшим диаметра D апертурного отверстия, перед входом в ИОС периодически смещают пучок параллельно ее оптической оси на фиксированные расстояния r^* в пределах размеров входной апертуры (0 ≅r^*≅D/2) по закону
r = r(-1)^kσ(t-kτ), (1) где σ (t - kτ) - функция Дирака; t - текущее время; τ - время нахождения пучка на фиксированном расстоянии r^* от оптической оси системы; k - целое число, и обеспечивают одновременную регистрацию набора пересекающихся траекторий зондирующего пучка, для которых точки пересечения дают взаиморасположение кардинальных элементов, а по расстоянию между этими точками измеряют величину аберрационных характеристик.

Сущность предлагаемого способа состоит в прямом измерении кардинальных элементов и аберрационных характеристик ИОС путем одновременной регистрации набора пересекающихся траекторий зондирующего светящегося ионного пучка с малым диаметром поперечного сечения.

Для одновременной регистрации (например, фотографированием или иным способом) визуализированных пересекающих- ся траекторий, зондирующий пучок перед входом в ИОС периодически смещают, т. е. попеременно направляют либо вдоль оптической оси ИОС, либо вдоль направления, параллельного оси и расположенного от нее на фиксированных расстояниях r^*. С целью повышения четкости и контрастности изображения траекторий смещение зондирующего пучка из одного фиксированного положения (r = r^*) в другое (r = 0) осуществляют так, чтобы время τ нахождения пучка в каждом из фиксированных положений существенно превышало время его перехода между ними. Последнее выполняется, если смещение пучка от оси задать условием (1). Частота перехода ν = 1/τ определяется выбором способа регистрации траекторий. Так, при визуальном наблюдении ν≈24 с^-1, при других способах регистрации выбор частоты более произволен.

Смещаемый зондирующий пучок после прохождения ИОС имеет пересекающиеся траектории, по которым определяют следующие кардинальные элементы: положение фокуса F как точки пересечения траекторий, соответствующих смещению пучка на r = 0 и r = r^*; положение главной плоскости Н как плоскости, перпендикулярной траектории, совпадающей с оптической осью ИОС (r = 0) и проходящей через точку пересечения продолжений прямолинейных участков траектории смещенного от оси пучка (r = r^*) до и после ИОС, фокусное расстояние f как расстояние между положениями фокуса и главной плоскости.

Достоинство предлагаемого способа в том, что за счет выбора величины r^*(0 ≅ r^* ≅D/2) можно определять положения фокуса и главной плоскости, а также измерять фокусное расстояние не только для параксиальных (r^* > 0), но и для непараксиальных (r^* ≅ D/2) ионных лучей. Это позволяет непосредственно измерять аберрационные характеристики ионной оптики: продольную сферическую аберрацию Z как расстояние между положениями фокусов для параксиальных (r^* 0) и непараксиальных, наиболее удаленных от оптической оси ионных лучей (r^*≈D/2), поперечную сферическую аберрацию х, которую определяют радиусом кружка рассеяния в фокальной плоскости (фокальная плоскость перпендикулярна оптической оси системы и проходит через положение фокуса для параксиальных ионных лучей), равным расстоянию от оптической оси до точки пересечения траектории наиболее удаленного от оси пучка (r^* ≈D/2) с фокальной плоскостью.

Предлагаемый способ позволяет измерять кардиальные элементы и аберрационные характеристики, а также их зависимости от величины r при различных значениях потенциалов, прикладываемых к электродам ИОС.

В случае астигматических систем для определения характеристик необходимо провести указанные измерения уже в двух взаимно перпендикулярных, проходящих через оптическую ось направления. Последнее обстоятельство не вносит принципиальных изменений в предлагаемый способ, потому не отражено в формуле изобретения.

Таким образом, по сравнению с известным способом-прототипом, где возможны наблюдение интегральной картины прохождения широкого ионного пучка через ИСО и проявление аберрационных искажений изображения, предлагаемый способ позволяет непосредственно измерять дифференциальные характеристики, в том числе аберрационные, ИОС, т. е. обладает большей информативностью.

Использование зондирующего светящегося пучка с малым диаметром d (d << D), а не широкого пучка (d D), как в способе-прототипе, увеличивает плотность излучения возбужденных ионов из элемента объема пучка, а соответственно чувствительность способа в ≈ (D/d)² раз. Кроме того, указанный фактор способствует повышению точности определения местоположения точек пересечения траекторий ионных пучков.

Итак, предлагаемый способ характеризуется большей чувствительностью, точностью и информативностью.

Предложенный способ может быть использован для анализа траекторий ионных пучков с произвольными отношениями е/m, не имеющими долгоживущих возбужденных состояний либо не возбужденных на эти состояния. Основой такого моделирования является хорошо известный факт, что траектория заряженной частицы при ее движении в конкретном электромагнитном поле однозначно определяется значениями начальной скорости и начальной координаты частицы, а также значениями ее ускорений в электрическом и магнитном полях. Задание начальной скорости V_oобеспечивается приложением ускоряющего потенциала U₀(V₀= ), где q и m - заряд и масса иона, ускорения в электрическом а_Е и магнитном а_В полях - заданием векторов напряженности (а_Е = qE/m) и магнитной индукции (а_В = qVB/m). Анализируемый и моделирующий ионы имеют одинаковые траектории в заданной ИОС, если они обладают равными значениями величины V_o, a_E, a_B, что эквивалентно условиям
= = = K = , где U_om и U_oa, E_m и E_a, B_m и В_а, m_m и m_a - соответственно ускоряющие напряжения, векторы напряженности электрических полей, векторы магнитной индукции, массы моделирующего и анализируемого ионов. Таким образом, любой траектории пучка всегда можно привести в соответствие набор указанных параметров, обеспечивающих прохождение по той же траектории пучка с другими значениями (см. авт. св. СССР N 1439988).

На фиг. 1 приведена схема реализации заявляемого способа, где 1 - источник возбужденных ионов, 2 - система формирования ионного пучка, 3 - экран с калиброванным отверстием, 4 - система отклонения пучка, 5 - исследуемая ИОС, d - диаметр зондирующего пучка, D - диаметр входной апертуры исследуемой линзы. S - толщина электродов, Т - расстояние между электродами линзы, r₁^*, r₂^* - расстояния зондирующего пучка от оптической оси системы, F_o и F_r - положение фокуса для параксиальных и непараксиальных ионных лучей соответственно, Н - положение главной плоскости, f_o и f_r - фокусное расстояние для параксиальных и непараксиальных ионных лучей соответственно, Z - продольная сферическая аберрация, х - радиус кружка рассеяния.

На фиг. 2 приведен набор визуализированных траекторий зондирующего пучка, необходимых для определения параметров одиночной электростатической линзы при подаче на ее средней электрод потенциала V_a= 1,7 кВ, энергия ионов Е_о = 2 кэВ, r₁^* = = 4,5 мм; r₂^* = 8 мм. Увеличение фотографии М ≈0,86.

Способ реализуется следующим образом. В условиях высокого вакуума получают пучок непосредственно испускающих оптическое излучение долгоживущих возбужденных ионов с энергий Е_о в источнике 1. При помощи системы 2 формирования пучку задают форму симметричного относительно оптической оси ИОС параллельного потока с диаметром поперечного сечения d << D, где D - диаметр входной апертуры исследуемой ИОС. Затем полученный зондирующий пучок ионов периодически смещают параллельно оптической оси ИОС на фиксированное расстояние r = r^* c помощью системы 4 отклонения, состоящей, например, из двух последовательно расположенных и одинаково ориентированных плоских конденсаторов. При этом статическое параллельное смещение достигается путем приложения к пластинам этих конденсаторов разностей потенциалов, соответственно равных U₁₀ и U₂₀;
U₁₀= + ; U₂₀= - , (2) где а - расстояние между пластинами конденсатора; . l_o - размер пластин в направлении распространения пучка; b - расстояние между конденсаторами; U_o - ускоряющий ионы потенциал. Соотношения (2) получены в пренебрежении краевыми искажениями электрических полей конденсаторов.

Для периодического смещения пучка из одного фиксированного положения (r = r^*) в другое (r = 0) к пластинам конденсаторов прикладывают разности потенциалов U₁ и U₂, изменяющиеся со временем в соответствии с условием (1):
U₁= U(-1)^kσ(t-kτ); U₂= U(-1)^kσ(t-kτ). (3)
После системы отклонения периодически смещаемый зондирующий пучок пропускают через исследуемую ИОС 5, расположенную соосно с системой 2 формирования. Прохождение светящегося зондирующего пучка через систему отклонения до входа в ИОС в пространстве действия ИОС и после ИОС легко наблюдается через смотровое окно вакуумной камеры. Визуализированные траектории светящегося пучка, смещаемого с частотой ν≈24 с^-1, наблюдаются в виде статической картины и допускают регистрацию путем фотографирования либо иным методом. Частота ν≈24 с^-1 требуется лишь для визуального наблюдения траекторий, в других случаях выбор частоты более произволен. Траектории пучка, прошедшего ИОС, пересекающиеся. При необходимости набор траекторий для разных значений r_i^* получают, изменяя потенциалы U₁₀ и U₂₀. Регистрируя набор пересекающихся визуализированных траекторий, определяют взаимно расположение карди- нальных элементов и значения аберрационных характеристик.

В качестве примера проведено определение ионно-оптических характеристик осесимметричной одиночной электростатичес- кой линзы. Принцип действия установки для определения характеристик ионной оптики схематически изображен на фиг. 1, там же приведены необходимые обозначения. Геометрические размеры используемой линзы: D = 24 мм, Т = 12 мм, S = 6 мм.

Возбужденные ионы получались в источнике 1 в процессах столкновений атомов редкоземельного элемента с быстрыми электронами, ускорялись до энергии Е_o = 2 кэВ и при помощи системы 2 формирования, состоящей из трех электростатических линз, собирались в параллельный пучок. Подбором потенциалов, прикладываемых к электродам этих линз, достигается изменение в широких пределах диаметра d поперечного сечения пучка (d = 1,5 - 20 мм).

Таким образом, система формирования позволяет получать как пучки с большим диаметром (d D, способ-прототип), так и зондирующие пучки малого диаметра (d << D, предлагаемый способ). Для задания резкой границы поперечного сечения зондирующий пучок диафрагмировался пропусканием через калиброванное отверстие съемного экрана 3. Периодическое смещение пучка осуществлялось системой 4 отклонения из двух одинаковых плоских конденсаторов. Параметры конденсаторов: а = 22 мм, l_o = 25 мм, b = 6 мм. Между пластинами этих конденсаторов прикладывались разности потенциалов в соответствии с формулой (3) от генератора П-образных импульсов с частотой ν≈24 с^-1. Потенциалы U₁₀ и U₂₀ (U₁₀ = | U₂₀| ) выбирались равными U₁₀¹ = 660 В, U₁₀² = 1100 В, что обеспечивало смещение пучка от оптической оси системы (r = 0) на расстояния, соответственно равные r₁^* = 4,5 мм и r₂^* = 8 мм. Затем периодически смещаемый пучок пропускался через исследуемую одиночную электростатическую линзу. С целью обеспечения возможности юстировки без нарушения вакуумных условий линзы крепилась на манипуляторе х - Y - Z - ϕ. На средний электрод исследуемой линзы прикладывался в данном случае положительный потенциал V_a = 1,7 кВ. Регистрация визуализированных траекторий зондирующего пучка до входа в линзу, в пространстве действия линзы и после ее прохождения осуществлялась фотографически.

На фиг. 2 приведена фотография наблюдаемого прохождения светящегося зондирующего пучка по трем пересекающимся траекториям. Из этих данных определены взаимоположения фокусов F_o и F_r, положение главной плоскости Н, а также измерены фокусные расстояния f_o и f_r и характеристики продольной Z и поперечной х сферической аберраций. Измеренные значения: f_o = = 71 ± 2 мм, f_r = 47 ± 1,5 мм, Z = 24 ± 1 мм, х = 3,8 ± 0,2 мм. Относительная погрешность, найденная из анализа большой серии фотографий (12 шт. ) прохождения светящихся ионных пучков при различных значениях величины V_o, V_a, r^* не превышала 6-8% и снижается при уменьшении диаметра d поперечного сечения зондирующего пучка.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет с высокой точностью определять дифференциальные характеристики ионной оптики, кардинальные элементы и аберрационные характеристики и тем самым осуществлять выбор наиболее оптимальных условий работы ИОС. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1439988, кл. G 01 T 5/00, 1986.

2. Белых С. В. , Евтухов Р. Н. , Расулев У. Х. , Редина И. В. Использование пучков возбужденных ионов для измерения характеристик ионно-оптических систем. /Письма в ЖТФ, 1989, т, 15, вып. 24, с. 72-76.

Изобретение позволяет повысить чувствительность, точность и информативность способа за счет прямого измерения кардинальных элементов и аберрационных характеристик ионно-оптических систем (ИОС). Сущность изобретения. Через исследуемую ИОС пропускают зондирующий пучок долгоживущих возбужденных ионов, испускающих оптические излучения с диаметром d поперечного сечения, более чем на порядок меньшим диаметра D апертуры ИОС. Перед входом в ИОС пучок периодически смещают параллельно оптической оси (ОС) ИОС в пределах аппертуры на фиксированные расстояния r^* (см) по закону см, где σ(t-kτ) - функция Дирака; t - текущее время, с; τ - время нахождения пучка на фиксированном расстоянии r^* от ОС ИОС; k-целое число. При одновременной регистрации визуализированных траекторий зондирующего пучка получают в точках их пересечения взаимоположения кардинальных элементов. 2 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ , включающий фоpмиpование пучка испускающих оптическое излучение долгоживущих возбужденных ионов, задание пучку конфигуpации в виде паpаллельного потока, пpопускание такого пучка чеpез исследуемую ионно-оптическую систему и pегистpацию его визуализиpованной тpаектоpии, по котоpой опpеделяют хаpактеpистики ионно-оптической системы, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, точности и инфоpмативности способа путем создания возможности пpямого измеpения каpдинальных элементов и абеppационных хаpактеpистик ионно-оптических систем, фоpмиpование зондиpующего пучка осуществляют с диаметpом d (см) попеpечного сечения не менее, чем на поpядок меньшим диаметpа D (см) аппеpтуpного отвеpстия, и пеpед входом в ионно-оптическую систему пеpиодически смещают пучок паpаллельно оптической оси системы на фиксиpованные pасстояния r^* (см) в пpеделах pазмеpов входной аппеpтуpы (0 r D/2) по выpажению
r= r(-1)^kσ(t-kτ)см,
где σ(t-k τ) - функция Дирака;
t - текущее время, с;
τ - время нахождения пучка на фиксированном расстоянии r^* от оптической оси системы, с;
k - целое число,
и пpоводят одновpеменную pегистpацию набоpа пеpесекающихся тpаектоpий зондиpующего пучка, для котоpых точки пеpесечения дают взаимоpасположение каpдинальных элементов, опpеделение значений абеppационных хаpактеpистик ионно-оптической системы пpоводят по pасстоянию между точками пеpесечения тpаектоpий.