Многоканальный энергоанализатор заряженных частиц Советский патент 1985 года по МПК H01J49/30 

I

9 эо

ЭО

:л

Эд

6

тг

S Изобретение относится к устройствам для анализа по энейгии и масс заряженных частиц и может применять ся для исследования плазмы, поверхности вещества, процессов электронных и атомных столкновений и т.д. Известен многоканальньд энергоанализатор, содержащий диспергирующий элемент, .цилиндрические канальные конденсаторы .и детекторы. В качестве диспергирзпощего элемента используются либо электростатические конденсаторы, либо электромагниты. Во время работы анализатора пу40 ионов входит в однородное поле диспергирующего элемента, разворачивается им в широкий веер, проходит через цилиндрические канальные конденсаторы и региутрируется детекторами lj . этому анализатору присущи нейзохронность фокусировки, малая светосила и недостаточно боль шой диапазон исследуемых энергий . Неизохронность фокусировки заключается в том, что время нахождения заряженных частиц в поле анализатора различно для частиц с неодинаковыми начальными условиями (коорди натами и углами влета). Частицы, од новременно пришедшие в плоскость входной щели, в выходную щель попадают неодновременно. Отсутствие изохронности фокусировки не позволя ет использовать анализатор в тех пр менениях, где требуется высокое временное разрешение, например в импульсных режимах работы. Наиболее близким техническим решением к изобретению является много канальный энергоанализатор заряженных частиц, содержащий входную щелевую диафрагму, два плоских параллельных электрода, один из которых вьтолнен с отверстиями, и выходную диафрагму со щелевыми отверстиями, установленную параллельно указанно му электроду и соединенную с ним гальванически. К плоским электродам прикладывается постоянная разность потенциалов, обеспечивающая между ними однородное электрическое поле Пучок заряженных частиц через входную щель входит в однородное поле под углом 45 , отклоняется им на 90° и фокусируется на выходные щели, расстояния которых от входно щели пропорциональны энергии частиц 2. Однако известное устройство обладает неизохронной фокусировкой, малой светосилой и недостаточно широким энергетическим диапазоном. Например, для анализатора с.линейными размерами 300 мм, при разрешении 1%, отношение верхней границы диапазона исследуемых энергий к нижней не превьш1ает 3,5, в то время как исследовательские задачи требуют, чтобы оно было порядка 10. При наличии пространства дрейфа, которое предшествует анализатору в экспериментах на плазменных установках, входные углы пучка не превьшают 0,5°. В то же время размер входной щели определяется разрешением и, например, для приведенных габаритов и разрешения не должен превьш1ат.ь 1 мм. Светимость анализатора, равная произведению светосилы на площадь входной щели, не превьш1ает 0,05% мм , тогда как необходимое значение должно быть на порядок вьщ1е. Временное разрешение анализатора не лучше 10%, что обусловлено неизохронностью фокусировки, и более чем на порядок превьш1ает требуемую величину. Целью изобретения является повышение точности путем достижения изохронности фокусировки, увеличения светосилы и диапазона исследуемых энергий при неизменных габаритах и разрешении. Цель достигается тем, что в многоканальном энергоанализаторе заряженных частиц, содержащем входную щелевую диафрагму, два плоских параллельных электрода, один из которых вьтолнен с отверстиями, и выходную Диафрагму со щелевыми отверстиями, установленную параллельно указанному электроду и соединенную с ним гальванически, входная щелевая диафрагма установлена перпендикулярно выходной диафрагме со щелевыми отверстиями, а выходная диафрагма расположена от электрода с отверстиями на расстоянии, равном удвоен-ному расстоянию от указанного электрода до центра щелевого отверстия входной диафрагмы. При указанной взаимной ориентации входной щелевой диафрагмы и вьЕходной диафрагмы со щелевыми отверстиями широкий пучок частиц запускается в анализатор параллельн плоским электродам и фокусируется изохронно в плоскости, расположенной параллельно электроду с отверстиями, на расстоянии, равном удвоенному расстоянию от указанного эле трода до центра щелевого отверстия входной диафрагмы, где и следует поме щать выходную диафрагму со щелевыми отверстиями. При этом расстояния от входа в анализатор до выходных щелей пропорциональны корню кйадратно му из энергии частиц, что позволяет расширить диапазон исследуемых энергий при сохранности габаритов устройства. При движении заряженных частиц в однородном электрическом поле с точностью до членов второго порядка малости и при /V - 1 координата частицы, достигающей плоскости , выражается формулой гег, Г /нг ет 2- 2ЫГНо (1) где - расстояние от оси пучка д электрода; энергия частицы заряд частицы, разность потенциалов между электродами; проекция угла наклона тра ектории частицы на плоскость Z (плоскость чертежа), - проекция угла наклона траектории на плоскостьXZ itj - координата частицы на входе в анализатор. Вьфажение (1) не содержит членов пропорциональных ьу , что говорит о наличии фокусировки по ширине пучка в отличие от известного устройства, где осуществляется фокусировка по углу ОС. Член, пропорциональный об в вьфажении (1), аналогичен члену, пр порциональному ширине входной щели в соответствующем выражении для известного устройства. Остальные члены в вьфажении (1) являются аберрационными. Координата Z частицы на плоскос ти выходной диафрагмы, как видно из формулы (1) , пропорциональна л1ь В известном устройстве соответствую щая координата.пропорциональна . Таким образом, предлагаемый анализа564тор при сохранении габаритов дает выигрыш в величине диапазона исследуемЕлк энергий тем больше, чем шире этот диапазон, При одинаковом энергетическом диапазоне предлагаемое устройство обладает существенно меньшими габаритами. Анализ движения заряженных частиц в анализаторе показал, что время пролета частицы от входа в анализатор до выходной щели описывается выражением « где m - масса частицы. Из вьфажения (2) следует, что в первом порядке время пролета частицы зависит только от 6/т и не зависит от координат и углов влета частицы. Таким образом, фокусировка в предлагаемом устройстве изохронна. Это позволяет проводить исследование энергетического спектра частиц с высоким временным разрешением, что важно при изучении быстропротекающих процессов. Кроме того, изохронность фокусировки позволяет использовать предлагаемый анализатор в качестве времяпролетного масс-спектрометра высокого разрешения с одновременным энергетическим анализом. Предлагаемый анализатор хорошо согласуется с пространством дрейфа, которое, как правило, предшествует анализатору в экспериментах на плазменных установках и служит для про-. странственного разнесения объема плазмы и анализатора. В этом пространстве пучок коллимируется и углы« и У на входе в анализатор малы. В вьфажение для светимости анализатора L. , которая пропорциональна числу частиц, достигающих детекторы «t)f , (3) где h - размер пучка на входе в анализатор в плоскости Х , линейно входят угловые и линейные размеры пучка на входе в анализатор. Поскольку углы Ы и У при наличии пространства дрейфа перед анализатором малы, то большое значение приобретает возможность увеличивать А. у при сохранении разрешения. В предлагаемом анализаторе у входит в ширину линии изображения аберрационным образом (квадратично), а в известном устройстве - линейно (ширина вход

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий входную щелевую диафрагму, два плоских параллельных электрода, один из которых выполнен с отверстиями, и выходную диафрагму со щелевыми отверстиями, установленную параллельно указанному электроду и соединенную с ним гальванически, отл ич аю щ и и с я тем, что, с целью повьшения точности путем достижения изохронности фокусировки, увеличения светосилы анализатора и диапазона исследуемых энергий при неизменных габаритах и разрешений, входная щелевая диафрагма установлена перпендикулярно выходной диафрагме со щелевыми отверстиями, а выходная диафрагма-расположена от электрода с отверстиями на расстоянии, ном удвоенному расстоянию от указанного электрода до центра щелевого отверстия входной диафрагмы.