СПЕКТРОМЕТР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 1997 года по МПК H01J49/48 

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.

Основной частью известного устройства являются два полезадающих осесимметричных концентрических электрода тороидальной формы: внутренний и внешний; ось Z является осью симметрии тороидов. Кроме них предусмотрены две линзы: цилиндрическая входная и коническая выходная, а также плоский позиционно-чувствительный детектор (ПЧД).

Прибор работает следующим образом. Образец располагается так, что его поверхность (если он твердый, а не газообразный) находится в одной из меридиональных плоскостей всей анализирующей системы, т.е. вдоль поверхности образца проходит ось симметрии анализатора Z. При таком расположении полярный угол эмиссии θ_e из центральной точки эмиссии образца S с точностью до постоянного слагаемого совпадает с азимутом θ изображенного на рисунке сечения всей системы меридиональной плоскостью YZ. Диапазон азимутальных углов эмиссии J ограничивается в пределах нескольких градусов размером входной диафрагмы. Входная линза формирует полукольцевое изображение источника эмиссии вблизи поверхности электрода, компенсирующего искажение потенциала у краев тороидальных полезадающих электродов. Двигаясь в зазоре между этими электродами, анализируемый пучок под действием диспергирующего поля тороида подвергается разложению на моноэнергетические составляющие, причем составляющая, соответствующая энергии настройки анализатора Е_o, фокусируется на выходной щели, вблизи выходного компенсирующего электрода. Выходная линза переносит это промежуточное изображение на поверхность ПЧД, азимутальная координата точек которого с точностью до постоянного слагаемого равна полярному углу эмиссии из образца.

Создание такого спектрометра представляет значительные трудности. Сложно изготовить и взаимно съюстировать полезадающие электроды тороидальной геометрии.

Принципиальным недостатком прототипа является то, что запись энергетического спектра происходит последовательно. В каждый конкретный момент времени через выходную диафрагму к ПЧД пролетают лишь электроны, энергии которых лежат в узком интервале, определяемом энергией настройки Е_o и разрешающейспособностью энергоанализатора. Таким образом, в прототипе для записи спектра используется лишь один энергетический канал. Скорость записи пропорциональна числу таких каналов. Следовательно, включив каким-либо образом дополнительно "n-1" каналов регистрации, можно в "n" раз увеличить скорость записи. Сделать это можно, либо совместив линию фокусов (фокальную поверхность) с плоскостью ПЧД, либо уменьшив размытие изображения на детекторе до размеров, при которых это размытие сильно не сказывается на разрешении прибора.

Техническим результатом является увеличение скорости записи энергетических спектров заряженных частиц с угловым разрешением по полярным углам эмиссии в 20-30 раз, упрощение конструкции собственно энергоанализатора и всего спектрометра в целом, увеличение разрешающей способности спектрометра.

Для достижения указанного результата предлагается использовать осесимметричный энергоанализатор зеркального типа следующей геометрии (фиг. 1). Внутренний 1 и внешний 2 полезадающие электроды имеют форму двух соосных круговых конических поверхностей с общей вершиной в точке О. Хотя в идеале поверхности пересекаются в этой точке, в реальном приборе они электрически изолированы друг от друга. Исследуемый образец 3 (фиг. 2) располагается так, что общая ось симметрии электродов OZ проходит через его поверхность и параллельна ей. Входная 4 и выходная 5 диафрагмы вырезаны во внутреннем электроде. Каждая граница каждой диафрагмы представляет собой линию пересечения внутреннего конусообразного электрода и плоскости, перпендикулярной оси OZ. Ширина входной диафрагмы определяется несколькими факторами: размером пятна эмиссии (на фиг. 2, он равен нулю, т.е. источник точечный), диапазоном захватываемых диафрагмой азимутальных углов эмиссии Dv₁ и выбранными условиями фокусировки, т.е. режимом работы анализатора.

Плоский ПЧД 6 расположен перпендикулярно оси Z, так что точка А фокусировки частиц с начальной энергией E_o, соответствующей середине исследуемого диапазона энергий δE, находится на середине рабочей области ПЧД, т.е. приблизительно на половине радиуса ПЧД. При этом область ПЧД с минимальным радиусом соотносится с нижним краем исследуемого диапазона, т.е. с энергией электронов , а область ПЧД с максимальным значением радиуса рабочей поверхности с верхним краем, т.е. с
Согласно расчетам, вдоль радиуса плоского круглого ПЧД 6 можно разложить участок энергетического спектра δE, составляющего несколько процентов от средней энергии настройки Е_о при разрешении ΔE/E_o= 0,05-0,2% и ΔΦ₁ 1-2 градуса. Это означает, что одновременно можно регистрировать 10-30 точек энергетического спектра при одновременном полном угловом анализе по полярным углам эмиссии. Таким образом, достигается цель изобретения.

Ранее анализатор предлагаемой геометрии не применялся для анализа потоков заряженных частиц одновременно по энергиям и полярным углам эмиссии.

Рассмотрим теперь, как работает предлагаемое устройство. Выберем систему физических единиц, в которой единицей массы является масса частицы из анализируемого потока, а единицей электрического заряда ее заряд. Пусть (r, z, θ цилиндрические координаты, а (ρ,γ,θ) сферические координаты, так что ρ²= r²+z². Тогда электростатический потенциал анализатора будет иметь вид

Очевидно, что при γ = π/2 φ = 0, а при γ, стремящемся к нулю, f стремится к минус бесконечности. Уравнения динамики в цилиндрических координатах

где две точки означают двойное дифференцирование по времени, аналитически не решаются.

Все параметры и характеристики спектрометра определялись на основе анализа траекторий движения частиц в потенциале φ, рассчитанных численно на ЭВМ методом Рунге-Кутта.

Пусть анализируемые частицы эмиттируются из одной точки на поверхности образца (фиг. 2) так, что сначала они летят вблизи плоскости, проходящей через эту точку и перпендикулярной сразу и поверхности образца и оси Z (назовем эту плоскость"плоскостью эмиссии"). Азимутальный угол эмиссии v₁ при этом мало отличается от нуля, а азимутальный угловой разброс пучка ΔΦ₁ составляет не более нескольких градусов. Таким образом, осевые траектории пучка на начальных участках, т.е. до влета частиц в область поля, лежат в плоскости эмиссии. Полярный угол эмиссии θ_e с точностью до постоянного слагаемого равен азимутальному углу θ всей цилиндрической системы координат, и пусть в дальнейшем это слагаемое равно нулю, т.е. q_e= θ.

Пусть теперь анализатор настроен таким образом, что через его входную и выходную диафрагму пролетают частицы с энергиями, лежащими внутри диапазона , и с азимутальными углами эмиссии из диапазона . Назовем Е_o энергией настройки анализатора, δE его энергетическим диапазоном, а главными осевыми траекториями траектории частиц, у которых начальная энергия эмиссии Е Е_o, а азимутальный угол эмиссии Φ₁= 0. Для частиц с энергиями, отличными от Е_o, будут свои (не главные) осевые траектории, начальные участки которых лежат в плоскости эмиссии. Рассмотрим частицы (например, электроны) с начальной энергией Е_o. Те из них, траектории которых лежат в одной меридиональной плоскости, например, в плоскости фиг. 2, после вылета из области поля анализатора, пролетят в окрестности точки фокусировки первого порядка А. Все частицы, эмиттированные под другим полярным углом θ₁, и траектории которых лежат в другой меридиональной плоскости сечения спектрометра, пролетят вблизи своей точки фокусировки А₁, находящейся на таком же расстоянии от оси Z, как и точка А. Обобщая это рассуждение, можно сказать, что частицы с энергией Е_o будут фокусироваться вблизи линии фокусировки, представляющей собой отрезок окружности, перпендикулярной оси Z и концентричной с ней. Электроны с энергиями Е_o 1/2 δE сфокусируются на своей окружности, большего радиуса и расположенной ближе к началу координат. На фиг. 2, точка В изображает след пересечения этой окружности с плоскостью рисунка. Электроны с энергией Е_o + 1/2 δE сфокусируются на окружности, дающей на фиг. 2, точку С. Множество линий фокусировки образует непрерывную поверхность фокусов, по форме близкую к круговой конической поверхности с углом раствора 2β. На фиг. 2, пересечение поверхности фокусов с плоскостью рисунка дает линию ВАС, близкую к прямой.

Расположим теперь ПЧД 6 так, чтобы его плоская воспринимающая поверхность была перпендикулярна оси Z, и на этой поверхности находилась точка А. Тогда, как видно из рисунка, вдоль радиуса на плоскости ПЧД будет разложен на составляющие весь спектр анализируемых частиц от Е Е_o 1/2 dЕ до Е . По азимуту же на детекторе будут распределены частицы, стартовавшие с поверхности образца под разными полярными углами θ. Очевидно, что разрешение анализатора будет различным для разных участков спектра. Наилучшее (наименьшее) разрешение достигается при Е Е_o, так как для энергии настройки размытие изображения точечного источника на поверхности детектора вызвано лишь аберрациями второго порядка по v₁. Аберрационное размытие ничтожно, так как ΔΦ_1/ мал (составляет несколько градусов). По краям спектрального диапазона, при E = E_o±1/2δE, разрешение будет наихудшим, так как размытие изображения Δr определяется в основном не аберрациями, а расстоянием от точки фокусировки до детектора и углом расходимости пучка на выходе. Так, для низкоэнергетического края диапазона Δr_l≃ AB•sin(ΔΦ₂), а для высокоэнергетической границы Δr_h≃ AC•sin(ΔΦ₂). Здесь АВ, АС расстояния между соответствующими точками фокусировки. Если бы угол расходимости пучка на выходе ΔΦ₂ был равен углу расходимости пучка на входе ΔΦ₁ или мало отличался от последнего: ΔΦ₂≃ ΔΦ₁, спектрометр описываемой конструкции было бы нецелесообразно делать. Действительно, поскольку угол β не превышает 15^o, образующая фокальной поверхности почти перпендикулярна плоскости ПЧД, а наилучшие условия работы последнего реализуются в прямо противоположной ситуации, т.е. когда ПЧД и фокальная поверхность параллельны.

Однако потенциал (1) представляет собой однородную функцию ортогональных координат нулевой кратности, и поэтому в нем специфическим образом проявляет себя принцип подобия траекторий, так что пучок, удаляющийся в аксиальной плоскости от начала координат, увеличивается в аксиальном сечении ("распухает"), но в такое же число раз уменьшается и угол его расходимости Dv. Расчеты показывают, что реально в предлагаемом устройстве отношение 4 ≲ ΔΦ₁/ΔΦ₂≲ 5.. Поэтому при азимутальном угловом разбросе эмиттируемых частиц ΔΦ₁ 2-3 градуса, что реализуется, например, в методах фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, на выходе величина ΔΦ₂ составит всего 0,4-0,75 градуса. Именно по этой причине Δr_h и Δr_l оказываются величинами такого порядка, который обеспечивает разрешающую способность, достаточную для большинства методов электронной и ионной спектроскопии.

В тех методах, где диаметр зондирующего пучка мал и источник эмиссии можно считать точечным, наихудшее по диапазону δE разрушение определяется двумя факторами: аберрационным размытием изображения ξ и величиной Dr_l (или Δr_h, причем последний фактор, как было показано, значительно существеннее. К таким методам относится, например, оже-электронная спектроскопия, где диаметр зондирующего пучка электронов может измеряться нанометрами, в худшем случае, десятками микрон.

В случае точечного источника ни δE, ни ΔE не зависят от абсолютного габаритного размера прибора. Относительное разрешение ΔE/E определяется лишь величиной ΔΦ_l.

Для того чтобы корректно сравнить с прототипом предлагаемое устройство, необходимо принять во внимание конечный размер источника эмиссии. В прототипе он равен 0,35 мм при базовом размере (расстоянии от источника до изображения) около 100 мм и разрешении .

Как было сказано выше, в предлагаемом спектрометре весь диапазон энергий δE/E составляет несколько процентов. Следовательно, делать такой прибор с ПЧД при разрешении (то есть таком же, как в прототипе) бессмысленно, так как количество одновременно регистрируемых точек спектра n≃1, и выигрыша в скорости записи спектра по сравнению с прототипом не будет.

Согласно расчетам, если диаметр пятна эмиссии в предлагаемом спектрометре равен 0,35 мм, то при базовом размере 700 мм разрешение в различных режимах работы 0,08% , а . Соответствующее количество точек спектра 20 ≲ n ≲ 30.. Разрешение прототипа с базовым размером, увеличенным в семь раз, то есть до 700 мм, составит около 0,3% что заметно хуже, чем в предлагаемом приборе. Но наиболее существенное отличие между двумя приборами состоит в том, что в предлагаемом спектрометре можно одновременно регистрировать около 20-30 точек спектра, вместо одной точки в прототипе. Следовательно, скорость регистрации спектра также будет в 20-30 раз выше. Очевидно также, что конструкция предлагаемого прибора значительно проще, чем конструкция прототипа.

Назначение: электронная и ионная спектроскопия поверхности твердых тел или газов. Сущность изобретения: спектрометр состоит из осесимметричного энергоанализатора типа "электростатического зеркала" с осью симметрии Z, плоского позиционно-чувствительного детектора (ПЧД), расположенного перпендикулярно оси Z, и образца, центр области эмиссии которого находится на оси Z. Полезадающие электроды имеют вид двух электрически изолированных друг от друга соосных круговых конических поверхностей с общей вершиной. Входная и выходная кольцевая диафрагмы вырезаны во внутреннем электроде так, что границы их располагаются в плоскостях, перпендикулярных оси Z. Входная диафрагма уже, чем выходная и расположена ближе к общей вершине конусов. Центр источника эмиссии находится на оси, в средней плоскости входной диафрагмы. Воспринимающая поверхность ПЧД находится дальше от вершины конусов, чем любая из плоскостей, ограничивающих размеры диафрагм, в направлении точек пересечения этих плоскостей с осью Z. Устройство позволяет одновременно регистрировать спектры эмиссии частиц, летящих из источника в любом направлении вблизи определенной плоскости, перпендикулярной оси Z. 2 ил.

Спектрометр заряженных частиц, состоящий из осесимметричного электростатического энергоанализатора, плоского источника анализируемых частиц и плоского позиционно-чувствительного детектора, причем энергоанализатор состоит из двух полезадающих электродов с входной и выходной диафрагмами и общей осью симметрии, лежащей в плоскости источника частиц и проходящей через его центр, а воспринимающая плоскость позиционно-чувствительного детектора перпендикулярна общей оси симметрии, отличающийся тем, что полезадающие электроды имеют вид двух электрически изолированных друг от друга соосных круговых конических поверхностей с общей вершиной, входная и выходная диафрагмы вырезаны во внутреннем электроде так, что их границы представляют собой круговые линии пересечения поверхности внутреннего электрода с плоскостями, перпендикулярными общей оси симметрии конусов Z, причем входная диафрагма расположена ближе к вершине конусов, чем выходная, центр источника находится между плоскостями, ограничивающими размеры входной диафрагмы, воспринимающая поверхность позиционно-чувствительного детектора расположена дальше от вершины конусов, чем любая из плоскостей, ограничивающих размеры диафрагм, в направлении точек пересечения этих плоскостей с осью Z.