Электростатический энергоаназилатор заряженных частиц Советский патент 1985 года по МПК H01J49/48 

Изобретение относится к спектро метрии элементарных частиц, а имен но к анализу заряженных частиц по энергии. Известен электростатический энергоанализатор заряженных частиц с двумерным полем, образованный двумя коаксиальными цилиндрическими электродами либо их частями (ци линдрическое зеркало), Источник и приемник заряженных частиц расположены внутри малого цилиндра симметрично относительно плоскости, проходящей через середины упомянутых электродов. Дилинд- рическое зеркало имеет высокую разрешающую способность вследствие малой величины линейной дисперсии и большого коэффициента аберрации третьего порядка. Его недостатком является также боль шие размеры в продольном и по перечном направлениях. Кроме того, у цилиндрического зеркала отсутствует возможность фокусировки в ази мутальном направлении всех пучков, кроме конических, ось которых совпадает с осью энергоанализатора. Известен электростатический энергоанализатор с двумерным полем образованным двумя электродами в форме гиперболических цилиндров (гиперболическое зеркало). Источни и приемник заряженных частиц распо ложены вне поля симметрично относительно плоскости, проходящей через середины гиперболических элект родов, которые искривлены своей вогнутостью к источнику и приемнику. Недостатком гиперболического зеркала является, в первую очередь сложная форма электродов,из-за чег оно не нашло применения на практик Кроме того, гиперболическое зеркало имеет сравнительно большой коэф фициент аберрации второго порядка в вертикальной плоскости, что ограничивает его разрушающую способность. Ближайшим по технической сущности к изобретению является элект ростатический энергоанализатор заряженных частиц с двумерным полем, содержащий электроды, один из которых плоский, с системой питания электродов, источник заряженных частиц и приемник, расположенные 702 с внешней стороны плоского электрода симметрично относительно плоскости, проходящей через середину упомянутого электрода. После тако- , го анализатора образовано двумя парами противолежащих плоских электродов, расположенных так, что в сечении получается прямоугольник (коробчатый анализатор), Величина линейной д}1сперсии коробчатого анализатора D 1 ,26 L, где L - расстояние вдоль продольной оси между источником и приемником. Величина главного аберрационного члена коробчатого анализатора ( 1 , 98bi + + 1,A6j )L, где oi и (j - углы раствора пучка в горизонтальной, (плоскость дисперсии) и в вертикальной плоскостях соответственно, Недостатком указанного анализатора является малая разрешающая способность, которая прямо пропорциональна Л и обратно пропорциональна В вследствие большого коэффициента аберрации второго порядка в вертикальной плоскости ,73Li. Другим недостатком коробчатого анализатора является сложная конструкция из-за наличия четырех электродов. Целью изобретения является увеличение разрешающей способности и упрощение конструкции энергоанализатора. Цель достигается тем, что в электростатическом энергоанализаторе заряженных частиц, содержащем систему электродов, один из которых плоский; с системой их питания, источник заряженных частиц и приемник тока пучка, расположенные с внешней по отношению к электродам стороны плоского электрода симметрично относительно плоскости, проходящей через центр плоского электрода перпендикулярно ему, другой электрод выполнен в виде цилиндра, усеченного плоскостью, параллельной плоскому электроду, и обращен вогнутостью в сторону последнего. На фиг,1 изображена схема электростатического анализатора в плоскости дисперсии (ХО) и в вертикальной плоскости (YOZ); на фиг,2 (а, б,в) - варианты поперечного сечения его электродов. Энергоанализатор состоит из источника 1 заряженных частиц, двух

3

электродов 2, 3 для формирования электростатического поля и приемника 4 тока пучка.

Работа предлагаемого устройства состоит в следующем.

Из источника 1, ось которого расположена под углом к границе ПОЛЯ, выходит пучок заряженных частиц, которьш попадает в электростатическое, поле, образованное в пространстве между электродами плоским 2 и цилиндрическим 3. Ход траектории пучка в этом поле является зеркально симметричным (при выполнении определенных условий) относительно плоскости, проходящей через точку его поворота. В указанном поле происходит разделение пучка заряженных частиц по энергии таким образом, что при данной напряженности поля частицы с одинаковой энергией попадают в приемник 4, расположенный зеркально симметрично относительно источника 1.

Величина линейной дисперсии D одного из вариантов предлагаемого энергоанализатора, у которого высота сегмента цилиндрического электрода 3 равна его радиусу R (энергоанализатор полуцилиндрического тип см.фиг.2б),имеет следующий вид:

э.|(,«,вн4-у,

где d - расстояние между входом в

поле и выходом из него центральной траектории пучка.

c --RT jco69- -; 3in9

1 fcI ч у

И),

y R/MOUc

J Аf ,.

,

- сила энергоанализатора,

равная отношению разности потенциалов между его электродами V к ускоряющему потенциалу ; б - начальный угол наклона центральной траектории на входе в поле; величина максимального

удаления центральной траектории пучка от продольной оси;

h - кратчайшее расстояние от источника и приемника до края поля, при котором

120870

осуществляется фокусировка по углу в плоскости дисперсии.

h ;n 9 4 g9-fcoB2Q i4|f ine. f-i

RMaicc 2 I.-., (1)«г(т1.„-«1с(.

Автором написана система дифференциальных уравнений для траектории заряженных частиц в плоскости дисПерсии (ХО) и в вертикальной плоскости (Y02), которая решена численно на ЭВМ, что позволяет определить условия пространственной фокусировки, т.е. фокусировки первого

порядка, одновременно в двух плоскостях Хо и YOS . Наличие трех независимых параметров t , 0 и h позволяет наряду с пространственной фокусировкой получить в плоскости

дисперсии более острую фокусировку, а именно, фокусировку второго порядка. Такой оптимальный режим работы предлагаемого энергоанализатора осуществляется ,677, е 49,7° и h 0,625R. При этом величина линейной дисперсии)1,20Ь, а величины старших аберрационных коэффициентов в плоскости дисперсии Cj( и в вертикальной плоскости С,, , рассчитанные по формулам, которые здесь из-за гормоздкости не приводятся, оказались равными Сх 4,3R, Су 0,2R .

Разрешающая способность энергоанализатора по основанию

3)

R

5,M + 6jf6

где S, и S - ширина входной и вы45ходной щелей;

М - линейное увеличение (для прибора зеркального типаМ 1),

Пусть 5, 5j , тогДа разрешающая 50 способность предлагаемого энергоанализатора полуцилиндрического типа R в оптимальном режиме

«.ц

S/L +(1,ОбАо,05уЪ

где oi и у - углы раствора пучка в плоскостях XOZ и YOl

соответственно. 5 В изобретении дополнительно улучшается по крайней мере один из электронно-оптических параметров энергоанализатора при неизменности остальных. Это достигается за счет варьирования еще одного (четвертого) независимого параметра, а имен но высоты сегмента Р в поперечном сечении цилиндрического электрода (см,фиг.2а,в). Сравним разрешающую способность предлагаемого энергоанализатора с прототипом. У коробчатого анализатора разрешающая способность Р 6/L + (0,,73j2)Для максимально возможных углов ci |f 0,08 и 5 0,01R разрешающая способность коробчатого анализатора R цор 77, а у предлагаемого анализатора полуцилиндрического ти п,ц- 181, т.е. при одинаковой све тосиле разрешающая способность предлагаемого анализатора, более чем в 2 раза больше. 06 Для oi. 0,08; J 0,01 и 3 0,001 R, R 178; а R р ц 759. При увеличении вертикального угла до у 0,03 разрешающая способность предлагаемого анализатораR „ 722, т.е. становится равной разрешающей способности коробчатого анализатора при светосиле в 3 раза большей. Габаритные размеры предлагаемого анализатора в продольном направлении f на 20% больше, чем у прототипа, а в поперечном в 1,5 раза меньше. Конструктивно предлагаемый анализатор, проще, так как содержит лишь два электрода простой формы, в то время как у прототипа таких электродов четыре. Предлагаемый электростатический анализатор может быть использован для анализа энергетического спектра заряженных частиц при исследовании элементного и -химического состава материалов в эмиссионной и СВЧ электронике, электронной спектроскопии, растровой электронной микроскопии, при изучении элементарных вений, в космических исследованиях и т.д.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий систему электродов, один из которых плоский, с системой их питания, источник заряженных частиц и приемник тока пучка, расположенные с внешней по отношению к электродам стороны плоского элект- рода симметрично относительно плоскости, проходящей через центр плоского электрода перпендикулярно ему, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и упрощения конструкции, другой электрод выполнен в виде цилиндра, усеченного плоскостью, параллельной плоскому электроду, и обращен вогнутостью в сторону последнего.

а

/Г /X

(X

фиг. 2.

5 3

у

у