Способ анализа ионов по энергиям, массам и зарядам и устройство для его осуществления Российский патент 2019 года по МПК H01J49/48 

Изобретение относится к способам и устройствам для анализа ионов по энергиям, массам и зарядам с использованием электрических и магнитных полей и может быть использовано для определения элементного состава, например, плазмы рабочего вещества и при изучении поверхностей твердых тел.

Основными областями применения анализаторов ионов по энергиям, массам и зарядам являются: изучение поверхности твердых тел, исследование структуры вещества и процессов взаимодействия при столкновениях частиц в газах и плазме, плазменные задачи геофизики и физики космического пространства, в частности, с помещением анализатора в область, занятую плазмой.

Для анализа потока ионов по нескольким параметрам, например, массам и энергиям используют последовательно расположенные энерго- и масс-анализаторы.

Известен способ и устройство для энерго-масс-анализа по схеме Маттауха-Герцога [Александров М.Л., Галль Л.Н., Саченко В.Д. Способ энергомасс-спектрального анализа состава веществ и устройство для его осуществления // Патент SU №1178257. - МПК H01J 49/30. - Опубл. 27.01.1996].

Известный способ реализуется следующим образом:

1) осуществляют пространственное разделение траекторий ионов в вертикальном направлении по энергиям и преобразование расходящегося в обоих направлениях пучка ионов в параллельные моноэнергетичные группы ионов в тороидальном электростатическом анализаторе;

2) осуществляют разделение ионов по массам в горизонтальном направлении и фокусировку параллельных пучков в точки фокальной поверхности, совпадающей с детектором, в магнитном анализаторе с однородным полем;

3) регистрируют во взаимно-ортогональных направлениях энерго- и масс-спектры анализируемого вещества пространственно-протяженным детектором.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:

1) осуществляют пространственное разделение траекторий ионов по энергиям;

2) осуществляют разделение ионов по массам;

3) регистрируют энерго-масс-спектр анализируемого потока ионов.

Недостатками известного способа являются:

1) анализ по массам проводится при работе только с моноэнергичными группами ионов исходного пучка; возможность анализа по массам групп ионов с широким непрерывным спектром по энергии отсутствует из-за перемешивания ионов разных энергий на детекторе;

2) увеличение ширины спектра по энергии в исходных группах ионов приводит к необходимости увеличения области создания однородного магнитного поля магнитного анализатора, что ведет к росту его габаритов;

3) отсутствует возможность определения зарядового состава в потоке ионов.

Устройство по патенту [Александров М.Л., Галль Л.Н., Саченко В.Д. Способ энергомасс-спектрального анализа состава веществ и устройство для его осуществления // Патент SU №1178257. - МПК H01J 49/30. - Опубл. 27.01.1996] содержит последовательно расположенные источник ионов, электронно-оптическую линзу вертикальной фокусировки, щелевую диафрагму, расположенную в фокусе электронно-оптической линзы вертикальной фокусировки, электронно-оптическую линзу горизонтальной фокусировки, выходную щель источника ионов, установленную в переднем горизонтальном фокусе электростатического тороидального анализатора, электростатический тороидальный анализатор, магнитный анализатор с однородным полем и пространственно-протяженный детектор частиц с устройством считывания информации.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

1) энергоанализатор;

2) детектор.

Недостатками известного устройства являются:

1) узкая входная апертура устройства, которая определяется размерами обязательных вертикальной и горизонтальной щелей, установленных перед электростатическим тороидальным анализатором;

2) большая по размеру область с однородным магнитным полем в магнитном анализаторе, размер которой определяется площадью сформированных после прохождения электростатического тороидального анализатора параллельных моноэнергетичных групп ионов;

3) наличие пространственно-протяженного детектора частиц, находящегося в зоне краевого магнитного поля магнитного анализатора, приводит к ухудшению разрешения устройства по массам и усложняет систему считывания информации.

Известен способ анализа ионов по энергиям и массам и устройство для его осуществления [Строкин Н.А., Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Во Ньы Зан, Кичигин Г.Н., Лебедев Н.B. Способ анализа ионов по энергиям и массам и устройство для его осуществления // Патент RU №2459310. - МПК H01J 49/00. - Опубл. 10.02.2012. - Бюлл. №23].

Известный способ реализуется следующим образом:

- анализ ионов по энергиям и массам ведут в совмещенных радиальных электрическом поле энергоанализатора Юза-Рожанского (ЮР) и магнитном поле секторного фильтра Вина (ФВ) и поперечном к ним продольном электрическом поле секторного ФВ,

- устанавливают напряженность радиального электрического поля Е₀ энергоанализатора ЮР, задавая энергию ионов, движущихся по равновесной (осевой) окружности,

где:

V_ϕ0 - скорость частицы на равновесной траектории,

R - радиус равновесной окружности,

- устанавливают величины индукции магнитного поля и напряженности электрического поля секторного ФВ такими, при которых скорость движения частицы по равновесной траектории равна V_ϕ0 и отсутствует движение частицы вдоль поперечной к направлению движения потока оси Z:

где:

В - индукция магнитного поля совмещенного секторного ФВ,

Е_z - напряженность электрического поля секторного ФВ,

с - скорость света,

- осуществляют анализ ионов по массе, изменяя при фиксированных Е₀ и В величину напряженности электрического поля секторного ФВ E_z для выделения массы m_i в соответствии с уравнением

- измеряют распределение ионов по энергии для потока ионов одной массы,

- угол поворота анализируемых ионов задают из условия фокусировки ионов под действием совокупности трех электромагнитных полей.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:

- осуществляют анализ потока ионов по энергиям,

- осуществляют анализ потока ионов массам,

- устанавливают величины индукции магнитного поля и напряженности электрического поля ФВ такими, при которых отсутствует движение иона вдоль поперечной к направлению движения потока оси Z,

- осуществляют анализ ионов по массам, изменяя при фиксированной индукции магнитного поля В величину напряженности электрического поля ФВ,

- измеряют распределение ионов по энергиям для потока ионов одной массы.

Недостатками известного способа являются:

- анализ по массам ведут для моноэнергетичного пучка ионов,

- отсутствует возможность определения зарядового состава пучка ионов.

Устройство по патенту [Строкин Н.А., Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Во Ньы Зан, Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В. Способ анализа ионов по энергиям и массам и устройство для его осуществления // Патент RU №2459310. - МПК H01J 49/00. - Опубл. 10.02.2012]:

- содержит секторный ФВ, энергоанализатор ЮР и детектор ионов;

- энергоанализатор ЮР и ФВ расположены так, что магнитные полюса ФВ охватывают ггилиндрические пластины энергоанализатора ЮР, а пластины ФВ, создающие электрическое поле, выполнены в виде плоских электродов, размещенных по обе стороны относительно энергоанализатора ЮР и магнитной системы ФВ;

- детектор ионов расположен в точке поворота траектории на угол

ϕ=π/ω,

где:

ω - параметр, определяющий угол, при котором целевые ионы фокусируются на равновесной траектории,

а цилиндрические электроды выполнены с расстоянием между ними, равном

где:

γ - параметр, определяющий угол, при котором нецелевые ионы максимально уходят от равновесной траектории.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

- устройство содержит ФВ,

- устройство содержит детектор ионов.

Недостатками известного устройства являются:

- малая входная апертура устройства, которая определяет малый допустимый угловой разброс:

где:

m₀ - масса настройки (центральная) фильтра Вина,

δm=m-m₀ - диапазон анализируемых масс.

Прототипом заявляемого способа и устройства является способ и устройство по патенту [Строкин Н.А., Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В. Способ анализа ионов по массам и устройство для его осуществления // Патент RU №2431214. - МПК Н01J 49/48. - Опубл. 10.10.2011. - Бюлл. №28].

Способ по прототипу реализуется следующим образом:

- осуществляют выделение ионов заданной энергии с помощью энергоанализатора,

- в ФВ создают взаимно-ортогональные электрическое поле и однородное магнитное поле, направленное вдоль пластин, создающих электрическое поле,

- вводят ионы в ФВ,

- регистрируют ионы на детекторе, расположенном на выходе ФВ.

Признаками способа по прототипу, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:

- осуществляют выделение ионов заданной энергии,

- в ФВ создают взаимно-ортогональные электрическое поле и однородное магнитное поле, направленное вдоль пластин, создающих электрическое поле,

- вводят ионы в ФВ,

- регистрируют ионы на детекторе, расположенном на выходе ФВ.

Недостатками способа по прототипу являются:

- анализ по массам ведут для моноэнергетичного пучка ионов,

- отсутствует возможность определения зарядового состава пучка ионов.

Устройство по прототипу [Строкин Н.А., Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В. Способ анализа ионов по массам и устройство для его осуществления // Патент RU №2431214. - МПК H01J 49/48. - Опубл. 10.10.2011. - Бюлл. №28] содержит:

- энергоанализатор,

- фильтр Вина, размещенный последовательно за энергоанализатором,

- детектор ионов, размещенный на выходе ФВ.

Признаками устройства по прототипу, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:

- фильтр Вина,

- детектор ионов.

Недостатками устройства по прототипу являются:

- малый допустимый угловой разброс потока ионов, что определяет малую входную рабочую апертуру устройства.

При создании способа анализа ионов по энергиям, массам и зарядам и устройства для его осуществления, объединенных единым изобретательским замыслом, ставилась задача создать в результате такие способ и устройство, в которых остались бы все положительные качества способа и устройства по прототипу и была обеспечена возможность анализа потоков ионов как по энергиям и массам, так и по зарядам, а при анализе по массам и зарядам была обеспечена возможность работы с немоноэнергетичными пучками ионов, имеющими начальный угловой разброс, что позволяет увеличить светосилу прибора без увеличения его габаритов.

Технический результат достигается тем, что в способе анализа ионов по энергиям и массам, включающем анализ по энергиям в энергоанализаторе, анализ по массам в скрещенных электрическом и однородном, направленном вдоль пластин, создающих электрическое поле, магнитном поле ФВ и регистрацией ионов на детекторе, расположенном на выходе ФВ, согласно изобретению, анализ по энергиям, массам и зарядам ведут в тандеме последовательно расположенных энергоанализаторе с задерживающим потенциалом (ЭЗП) и ФВ, а регистрацию ионов осуществляют на детекторе, расположенном на выходе тандема из двух анализаторов.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для анализа ионов по энергиям, массам и зарядам, содержащем ЭЗП, ФВ и детектор ионов, согласно изобретению, перед фильтром Вина расположен энергоанализатор с задерживающим потенциалом, а детектор ионов расположен на выходе фильтра Вина; области анализирующих полей энергоанализатора с задерживающим потенциалом и фильтра Вина разделены между собой электростатическим и магнитным экранами, а детектор выполнен с входным окном, площадь которого больше площади выходной диафрагмы фильтра Вина.

Преимуществами заявляемого анализатора по энергиям, массам и зарядам по сравнению с прототипом являются возможность анализа пучков ионов как по энергиям и массам, так и по зарядам, при анализе по массам и зарядам - работа с немоноэнергетичными потоками ионов, имеющими начальный угловой разброс, что определяет большие апертуру и светосилу анализатора, которые обеспечены тем, что анализ по энергиям, массам и зарядам ведут в продольном электрическом поле ЭЗП и однородных скрещенных электрическом и магнитном полях ФВ, энергоанализатор с задерживающим потенциалом располагают перед ФВ, а детектор ионов располагают на выходе ФВ.

Реализуемые заявляемыми способом и устройством новые функции, включающие его способность работать в качестве анализатора как по энергиям и массам, так и зарядам, при анализе по массам и зарядам работать с немоноэнергетичными потоками ионов, имеющими начальный угловой разброс, позволяет рассматривать заявляемое устройство в новом качестве - анализатора по энергиям, массам и зарядам.

Заявляемый способ анализа ионов по энергиям, массам и зарядам и устройство для его осуществления поясняются чертежами, приведенными на Фиг. 1-7.

На Фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство и даны обозначения анализирующих полей и геометрические элементы, необходимые при реализации способа и устройства: Е - напряженность электрического поля между пластинами конденсатора в области движения потока анализируемых ионов ФВ; В - индукция магнитного поля между пластинами конденсатора в области движения потока анализируемых ионов ФВ; 1 - энергоанализатор с задерживающим потенциалом; 2 - фильтр Вина; 3 - детектор; С1 - входная сетка ЭЗП; С2 - разделительная сетка ЭЗП; С3 - анализирующая сетка ЭЗП.

На Фиг. 2 показан вариант исполнения ЭЗП заявляемого устройства: 4 - корпус; 5 - входная сетка; 6 - разделительная сетка; 7 - анализирующая сетка; 8 - коллектор; 9 - изоляторы.

На Фиг. 3 показан вариант исполнения ФВ и приведены характерные размеры ФВ: 10 - постоянный магнит-; 11 - полюсной наконечник; 12 - изолятор электрического ввода; 13 - пластина анализирующего конденсатора; 14 - магнитопровод; расстояние между пластинами конденсатора, например, 6 мм; расстояние между полюсными наконечниками магнитов, например, 16 мм; длина постоянных NeFeB-магнитов, например, L=50 мм.

На Фиг. 4 приведен пример для варианта исполнения №1 тока I с детектора (кривая задержки) при регистрации трехкомпонентного потока ионов, имеющих широкий спектр по энергии W от минимальной энергии в спектре W_min до максимальной W_max, с массами m₁, m₂ и m₃ при фиксированной настройке ФВ при изменении потенциала анализирующей (С3) сетки U_ан ЭЗП от нуля до величины eU_ан.max>W_max, обеспечивающей запирание всех ионов налетающего потока.

На Фиг. 5 приведен для примера широкий спектр ионов по энергии от минимальной W_min до максимальной W_max. Спектр измерен на выходе плазменного ускорителя с анодным слоем при разрядном напряжении 1100 В, магнитной индукции на аноде 970 Гс, давлении аргона - плазмообразующего газа Р=9⋅10^-5 Торр.

На Фиг. 6 приведены траектории одно- и двукратно заряженных ионов криптона в анализирующем пространстве фильтра Вина - в области поперечных к направлению движения ионов электрическом и магнитном постоянных однородных полях.

На Фиг. 7 приведены траектории одно-, двух- и трехкратно заряженных ионов ксенона в анализирующем пространстве фильтра Вина.

Устройство (Фиг. 1) содержит ЭЗП (позиция 1), ФВ (2) и детектор пучка ионов (3). Полюсные наконечники ФВ выполнены из магнито-мягкой стали и используются для выравнивания магнитного поля по всей площади постоянных NeFeB-магнитов. Оптимизированная форма полюсов обеспечивает подфокусировку потока ионов в плоскости, перпендикулярной скорости потока. Постоянные магниты применены для уменьшения габаритов ФВ. Такой ФВ можно помещать в вакуумный объем и использовать, например, для диагностики многокомпонентных плазменных потоков. Возможность изменения настройки ФВ при этом остается - с помощью электрического поля.

Ниже приведено краткое теоретическое обоснование возможности реализации способа и создания устройства (Фиг. 1) по данной заявке.

Фильтр Вина выполняется «коротким»: длина, например, L=50 мм; детектор размещен непосредственно на выходе ФВ. Это объясняется необходимостью иметь большую апертуру прибора. Такое свойство анализатора является обязательным при регистрации ионов, распространяющихся в многокомпонентных потоках и имеющих не прямолинейные, а трехмерные траектории движения. Кроме того, длина ФВ выполняется минимально возможной. Детектор выбирается также широкоапертурным с входным окном, площадь которого перекрывает выходную щель ФВ, например, вторично-эмиссионный умножитель ВЭУ-6.

Энергоанализатор с задерживающим потенциалом располагается в зоне рассеянных магнитных полей ФВ, но, из-за определяющего влияния на движение ионов в области ЭЗП электрического поля между близко расположенными сетками-электродами ЭЗП, искажением траекторий ионов в ЭЗП рассеянным магнитным полем ФВ можно пренебречь. Кроме того, ЭЗП и ФВ разделены стенкой-магнитопроводом, имеющим входную щель для ввода потока в ФВ.

Входная сетка С1 ЭЗП имеет нулевой потенциал (заземлена) и разделяет электрические поля ЭЗП и плазмы.

Ионы на входе в ЭЗП имеют широкий спектр по энергиям (пример-иллюстрацию смотри на Фиг. 5) и могут двигаться, в том числе, в потоке плазмы. Случай моноэнергетических пучков ионов, когда не нужен тандем ЭЗП-ФВ, а достаточно одного ФВ, мы не рассматриваем.

При подаче отрицательного потенциала U_С2 на сетку С2, такого, что

eU_C2>W_e,

где:

W_e - энергия электронов плазмы,

электроны отражаются в область между сетками С1 и С2 энергоанализатора и нейтрализуются на его стенках. В области С2-С3 движется только поток ионов.

Пусть ФВ настроен на определенную, так называемую, дрейфовую скорость, которая может быть выбрана для иона в пучке, масса которого известная (прогнозируемая),

где:

ν₀ - скорость настройки ФВ (дрейфовая скорость),

Е - напряженность электрического поля в анализирующем пространстве ФВ,

В - индукция магнитного поля в анализирующем пространстве ФВ.

На анализирующей сетке ЭЗП потенциал равен нулю (не подается).

Ионы, имеющие скорость ν₀, проходят через ФВ на детектор. Ион с массой m₁, прошедший через ФВ, имеет энергию

Если ионы имеют широкий спектр по энергиям, на детектор пройдут ионы не только с массой m₁, но и все другие, имеющиеся в пучке, для которых выполняется условие

или с учетом (1), (2)

На детектор, расположенный на выходе ФВ, будет приходить смесь ионов m₁…m_k; система регистрации будет выдавать суммарный максимальный токовый сигнал - разделения по массам m₁…m_k не будет.

При подаче на анализирующую сетку С3 ЭЗП положительного напряжения U_ан ионы налетающего потока тормозятся; их энергии становятся равными W_0k=W_0k-eU_анk. Скорости ионов перед С3 изменяются как . Часть ионов, кинетические энергии которых меньше соответствующих анализирующему напряжению величин eU_aнk, отражаются в пространство между сетками С3 и С2 ЭЗП и нейтрализуются на его стенках. Прошедшие через сетку С3 ионы доускоряются в промежутке С3-входная диафрагма (щель) ФВ, которая находится под нулевым потенциалом (заземлена), до энергий, которые они имели на входе в ЭЗП; энергетический спектр прошедших через ЭЗП частиц, таким образом, не изменяется при вариации U_aн.

Пусть известно, что в потоке ионов есть ионы трех масс: m₁, m₂ и m₃, причем m₁<m₂<m₃. На детекторе ионы массы m₁ не исчезнут, пока тормозящим полем сетки С3 ЭЗП не будут отражены ионы массы m₁ с энергиями от исходной минимальной W_min.1 до энергии настройки W₀+ΔW, где ΔW - абсолютное разрешение ФВ по энергиям. На кривой задержки I=ƒ(U_ан) ток в данных условиях будет определяться как I=I₁+I₂+I₃ (смотри Фиг. 4). При дальнейшем увеличении U_ан ионы массы m₁ выходят из области настройки ФВ, сигнал от этих ионов исчезает со скоростью, определяемой энергетическим разрешением ФВ. На кривой задержки амплитуда тока уменьшается до уровня I=I₁+I₂. При еще больших величинах U_ан исчезнет вклад и от ионов с массой m₂ и ток ионов будет определяться лишь током частиц с массой m₃. Ток с детектора станет нулевым при eU_ан≥W_max.3+ΔW. На кривой задержки будут видны ступеньки тока, число которых равно числу разных масс у ионов в налетающем потоке, - 3 в нашем случае. Дифференцирование кривой задержки дает распределение ионов по энергиям - dI/dW, на котором видны 3 пика ионов, начиная с самых легких, на различных энергиях, соответствующих ионам трех разных масс (смотри Фиг. 4). Так как условие прохождения ионов на детектор известно (формула (3)), известны величины электрического Е и магнитного В полей, то по полученным наиболее вероятным энергиям для трех пучков ионов автоматически вычисляются их массы: .

Интегрирование функций распределения выделенных анализатором ионов дает плотности частиц той или иной массы.

Фильтр Вина с параметрами L=50 мм, ширинами входной и выходной щелей d₀=d_L=1 мм при В=0,25 Тл, W₀=1 кэВ имеет небольшое разрешение по энергиям: R_W≈2 (ΔW ≈ 500 эВ). Дополнительным преимуществом использования ЭЗП в тандеме с ФВ является возможность улучшить, по сравнению только с ФВ, разрешение по энергиям, определяемое как отношение полуширины спектра на его полувысоте, в определенных энергетических диапазонах на разных стадиях сканирования.

Таким образом, анализ по энергиям и массам в анализаторе для потока ионов, имеющих широкий спектр по энергиям, оказывается возможным.

Для расширения функциональных возможностей анализатор ЭЗП - ФВ - детектор можно дополнить убирающимся коллектором, располагаемым на выходе ЭЗП. Это позволит перед анализом по массам и зарядам измерить суммарный спектр всех ионов по энергиям, определить диапазон энергий W_max - W_min, наиболее вероятную энергию, увидеть особенности спектра. Данная информация будет полезна при настройке ФВ и анализе ионов по массам и зарядам.

Известно, что «короткий» ФВ с взаимно перпендикулярными анализирующими полями, в котором геометрическая длина траекторий движения за период циклоид для одно- и многократно заряженных ионов много больше длины ФВ (для иллюстрации смотри Фиг. 6), практически не может различать ионы одной массы, движущиеся с одинаковой скоростью, но имеющие разные заряды. Например, для ФВ, приведенного на Фиг. 3, как одно-, так и двухзарядные ионы криптона Кr⁺ и Кr²⁺ с энергией 1 кэВ проходят (и перемешиваются) через ФВ с выходной щелью шириной 0,8 мм при 68 В<U_ФВ<74 В; только Кr⁺ проходит, когда 68 В<U_ФВ<69 В и 74 В<U_ФВ<76 В. Видно, что диапазон прохождения для Кr²⁺ лежит внутри диапазона прохождения Кr⁺ и, таким образом, преимущественно наблюдается перекрытие диапазонов прохождения, поэтому существует проблема выделения ионов одной массы, имеющих разные заряды.

Есть практически важная задача выяснения механизма формирования функции распределения ионов в потоке, генерируемом плазменным ускорителем, плазменным двигателем, предназначенным для космических аппаратов. В качестве плазмообразующего газа здесь чаще используется ксенон, который имеет одно-, двух- и трехкратно заряженные ионы (Хе⁺, Хе²⁺, Хе³⁺). Через ФВ (Фиг. 3) ионы проходят при следующих напряжениях между пластинами:

Хе⁺: 53,70 В≤U_ФВ≤61,38 В;

Хе²⁺: 55,62 В≤U_ФВ≤59,46 В;

Хе³⁺: 56,26 В≤U_ФВ≤58,82 В.

Видно, что диапазон прохождения Хе³⁺ лежит внутри диапазонов прохождения как Хе⁺, так и Хе²⁺; диапазон прохождения Хе²⁺ (см. Фиг. 7) лежит внутри диапазона прохождения Хе⁺. С большими трудностями, которые связаны со значительным энергетическим разбросом пучков ионов и конечным энергетическим разрешением ФВ, можно выделить лишь однократно заряженный ион ксенона. Следует заметить, что, теоретически, из широкого спектра можно выделить еще и самый легкий и самый тяжелый ионы, если настройку ФВ делать, соответственно, на величины с учетом абсолютного разрешения ФВ по энергиям ΔW. Трудности в данном случае связаны с тем, что придется регистрировать малые токи ионов, так как названные настройки подразумевают работу на хвостах функции распределения ионов по энергиям.

При регистрации анализатором потока ионов с разными зарядами, с известной одинаковой массой m, имеющих широкий спектр по энергиям, когда нет задерживающего потенциала U_ан на анализирующей сетке С3 ЭЗП, а ФВ настроен на энергию W₀ однократно заряженного иона, на детектор проходят ионы со всеми кратностями заряда, энергии которых удовлетворяют условию ; ток детектора максимальный.

При увеличении U_ан ион с большим зарядом в электрическом поле ЭЗП будет тормозиться сильнее, так как сила, действующая на ион, F=qE_ан прямо пропорциональна его заряду q и напряженности электрического поля Е_ан между анализирующей С3 и разделительной С2 сетками ЭЗП. При eU_aн ≈ W₀/3+ΔW из апертуры ФВ уйдут ионы с q=3; когда eU_aн ≈ W₀/2+ΔW - уйдут ионы с зарядом q=2; если будет достигнуто значение eU_aн ≈ W₀+ΔW - и ионы с q=1 выйдут из апертуры ФВ. Таким образом, ток детектора при наличии ионов с разной кратностью заряда при росте U_ан будет ступенчато уменьшаться (кривая задержки будет подобна приведенной на Фиг. 4). Максимальная кратность заряда будет равна числу ступеней на кривой задержки. Амплитуда ступенек тока будет пропорциональна содержанию в потоке ионов с разной кратностью заряда. Дифференцирование кривой задержки даст количественную характеристику - плотность ионов с разной кратностью заряда.

Таким образом, анализ по зарядам в анализаторе для потока ионов с разными зарядами, с известной одинаковой массой m, имеющих широкий спектр по энергиям, оказывается возможным; тандем ЭЗП плюс ФВ в данном случае становится анализатором «кратности заряда» потока ионов.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

Многокомпонентный поток ионов, имеющих различные энергии, вводят в ЭЗП через сетку С1 (Фиг. 1), имеющую нулевой потенциал, экранирующую электростатическое ноле анализатора от полей в плазме в области перед ЭЗП.

На сетку С2 ЭЗП подают отрицательный потенциала U_C2, такой, что eU_С2>W_e. Электроны, проникшие через сетку С1, отражают тормозящим их электрическим полем в область между сетками С1 и С2 энергоанализатора, где они нейтрализуются на стенках.

Настраивают ФВ на определенную дрейфовую скорость , которая выбирается для иона, масса которого известная (или прогнозируемая).

Регистрируют на детекторе прошедшие через ФВ ионы, для которых выполняется условие .

На анализирующую сетку С3 ЭЗП подают положительное напряжение U_aн, тормозя тем самым ионы налетающего потока; их энергии становятся равными W_0k=W_0k-eU_aнk а скорости ионов изменяются так: .

Отражают в пространство между сетками С3 и С2 ЭЗП часть ионов, кинетические энергии которых меньше соответствующих анализирующему напряжению величин еU_ан.k.

Ионы, прошедшие через сетку С3, доускоряют в промежутке С3 - входная диафрагма ФВ до энергий, которые они имели на входе в ЭЗП; таким образом, энергетический спектр прошедших частиц не изменяется при вариации U_ан.

В потоке ионов трех масс: m₁, m₂ и m₃ (m₁<m₂<m₃) регистрируют ионы массы m₁ на детекторе, пока тормозящим полем сетки С3 ЭЗП не будут отражены ионы массы m₁ с энергиями от исходной минимальной W_min.₁ до энергии настройки W₀ с учетом разрешения по энергиям ΔW. На кривой задержки I=ƒ(U_ан) ток в данных условиях будет определяться как I=I₁+I₂+I₃.

Увеличивают U_ан пока ионы массы m₁ не выйдут из области настройки ФВ. Сигнал от этих ионов исчезает со скоростью, определяемой энергетическим разрешением ΔW фильтра Вина. На кривой задержки амплитуда тока уменьшится до уровня I=I₁+I₂.

Увеличивают U_ан до тех пор, пока на детекторе не исчезнет вклад от ионов с массой m₂, а ток ионов будет определяться лишь током частиц с массой m₃.

Увеличивают анализирующее напряжение до величины eU_aн≥W_max.3. Ток детектора станет равным нулю.

Регистрируют кривую задержки, имеющую ступенчатую форму, число ступенек на которой равно числу разных масс у ионов в налетающем потоке - 3 в нашем случае.

Дифференцируют кривую задержки, получая распределение ионов по энергиям - dI/dW, на котором видны 3 пика ионов, начиная с самых легких, на различных энергиях, соответствующих ионам трех разных масс (подобно данным, приведенным на Фиг. 4).

По полученным наиболее вероятным энергиям для трех пучков ионов вычисляют массы ионов по формуле .

Вычисляют плотности частиц той или иной массы путем интегрирования функций распределения выделенных анализатором ионов.

При регистрации анализатором потока ионов одной массы m с разными зарядами, имеющих широкий спектр по энергии, заявляемый способ реализуется следующим образом;

ФВ настраивают на энергию W₀ однократно заряженного иона.

Регистрируют на детекторе максимальный ток ионов, вклад в который вносят ионы со всеми кратностями заряда, энергии которых удовлетворяют условию .

Увеличивают U_aн до величины eU_ан ≈ W₀/3+ΔW.

Регистрируют на кривой задержки уменьшение тока из-за ухода из апертуры ФВ ионов с q=3.

Увеличивают U_aн до величины eU_aн ≈ W₀/2+ΔW.

Регистрируют на кривой задержки уменьшение тока из-за ухода из апертуры ФВ ионов с q=2.

Увеличивают U_aн до величины eU_aн ≈ W₀+ΔW.

Регистрируют на кривой задержки уменьшение тока из-за ухода из апертуры ФВ ионов с q=1.

Таким образом, ток детектора при наличии ионов с разной кратностью заряда при росте U_aн, будет ступенчато уменьшаться (кривая задержки подобна приведенной на Фиг. 4). Максимальная кратность заряда будет равна числу ступеней на кривой задержки. Амплитуда ступенек тока будет пропорциональна содержанию в потоке ионов с разной кратностью заряда.

Дифференцируют кривую задержки, получая количественную характеристику потока ионов - плотность ионов с разной кратностью заряда.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Устройство содержит ЭЗП (позиция 1 на Фиг. 1), ФВ (2) и детектор ионов (3). ЭЗП расположен перед ФВ. Детектор ионов расположен на выходе ФВ. ЭЗП и ФВ выполнены с большими входными апертурами, что позволяет повысить чувствительность анализатора и регистрировать частицы, которые имеют трехмерные траектории. Фильтр Вина выполнен коротким: длина L=50 мм; детектор ионов размещен непосредственно на выходе ФВ. Области анализирующих полей ЭЗП и ФВ разделены между собой электростатическим и магнитным экранами. Детектор выполнен с входным окном, площадь которого больше площади выходной диафрагмы-щели ФВ.

Таким образом, заявляемый анализатор обеспечивает диагностику по энергиям, массам и зарядам как при наличии у ионов анализируемого потока энергетического, так и углового разброса.

Изобретение относится к способу и устройству для анализа ионов по энергиям, массам и зарядам с использованием электрических и магнитных полей и может быть использовано для определения элементного состава, например, плазмы рабочего вещества и при изучении поверхностей твердых тел. Технический результат изобретения – расширение функциональных возможностей существующих энерго-масс-анализаторов. Анализ по энергиям, массам и зарядам ведут в тандеме последовательно расположенных энергоанализаторе с задерживающим потенциалом и линейном фильтре Вина, а регистрацию ионов осуществляют на детекторе, расположенном на выходе тандема из двух анализаторов. Анализатор по энергиям, массам и зарядам обеспечивает возможность анализа пучков ионов как по энергиям и массам, так и по зарядам, при анализе по массам и зарядам – работать с немоноэнергетичными потоками ионов, имеющими большой начальный угловой разброс, что обеспечивает большие апертуру и светосилу анализатора. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ анализа ионов по энергиям и массам, включающий анализ по энергиям в энергоанализаторе, анализ по массам в скрещенных электрическом и однородном, направленном вдоль пластин, создающих электрическое поле, магнитном поле фильтра Вина и регистрацию ионов на детекторе, расположенном на выходе фильтра Вина, отличающийся тем, что анализ по энергиям, массам и зарядам ведут в тандеме последовательно расположенных энергоанализаторе с задерживающим потенциалом и фильтре Вина, а регистрацию ионов осуществляют на детекторе, расположенном на выходе тандема из двух анализаторов.

2. Устройство для анализа ионов по энергиям, массам и зарядам, содержащее фильтр Вина и детектор ионов, отличающееся тем, что перед фильтром Вина расположен энергоанализатор с задерживающим потенциалом, а детектор ионов расположен на выходе фильтра Вина; области анализирующих полей энергоанализатора с задерживающим потенциалом и фильтра Вина разделены между собой электростатическим и магнитным экранами, а детектор выполнен с входным окном, площадь которого больше площади выходной диафрагмы фильтра Вина.