Электростатический спектрометр угловых и энергетических распределений заряженных частиц Советский патент 1985 года по МПК H01J49/44 

Изобретение относится к электронной спектроскопии и масс-спектрометрии, в частности к электронной спектроскопии с ЁОЗбуждением синхротронным излучением и электронным ударом.

Известно устройство, содержащее электронное зеркало, электроды которого имеют форму гипербол, совмещенное с линзовой системой торможения исследуемого потока заряженных частиц. В известном устройстве предварительно заторможенный поток заряженных частиц отклоняется электронным зеркалом, за счет чего обеспечивается выделение частиц потока с определенной величиной энергии заряженных частиц 1.

Недостатком известного устройства является ограниченная величина энергетического разрешения, что обусловлено соответствующим ограничением диспергирующих и фокусирующих свойств гиперболического зеркала.

Наиболее близким к предлагаемому является электростатический спектрометр угловых и энергетических распределений заряженных частиц, содержащий двухэлектродное электростатическое зеркало с входным и выходным отверстиями, электроды которого выполнены в виде внешней и внутренней .поверхностей цилиндрической формы осесимметричный электростатический канал тор.можения частиц с четным числом электродов, ось которого проходит через входное отверстие, и приемник заряженных частиц, расположенный со стороны выходного отверстия, установленные с возможностью одновременного измерения пространственной ориентации без взаимного смещения всех частей устройства 2. В известном устройстве в качестве энергоанализатора используется гиперболическое зеркало. Энергоанализатор данного спектрометра состоит из двух гиперболических цилиндрических электродов, между которыми приложена тормозящая разность потенциалов, обеспечивающая возрат частиц на внутренний электрод. Источник исследуемых частиц (образец) и приемник частиц расположены в дрейфовом эквипотенциальном пространстве на одинаковом расстоянии от внутреннего гиперболического электрода на оси симметрии анализатора. В этом случае гиперболическое зеркало позволяет получить пространственную фокусировку потока в двух взаимноперпендикулярных плоскостях, а дисперсию - несколько прнвосходящей базу основной траектории.

Лднако в гиперболическом зеркале приведенная дисперсия (выраженная в долях базы)при реализации пространственной фокусировки ограничена значением 5 1.314, что в условиях малых апертур не может быть компенсировать увеличением

светосилы и существенно снижает разрешающую способность прибора. При снятии угловых спектров расщиряющиеся в сторону мишени гиперболические электроды уменьшают диапазон углов регистрации эмиттируемых с образца электронов, что существенно сужает диапазон измерений по углам. Только энергоанализатором нельзя реализовать режим с постоянным интервалом разрешения по спектру (д consQ

что требует дополнительных систем торможения на входе.

Цель изобретения - увеличение разрешающей способности устройства по энергии и увеличение диапазона измеряемых

углов.

Поставленная цель достигается тем, что в электростатическом спектрометре угловых и энергетических распределений заряженных частиц, содержащем двухэлектродное электростатическое зеркало с входным и выход0 ным отверстиями, электроды которого выполнены в виде внещней и внутренней поверхностей цилиндрической формы, осесимметричный электростатический канал торможения частиц с четным числом электродов,

5 ось которого проходит через входное отверстие электростатического зеркала, и приемник заряженных частиц, расположенный со стороны выходного отверстия электростатического зеркала, установленные с возможностью одновременного изменения пространственной ориентации без взаимного смещения всех частей устройства, электроды электростатического зеркала в каждой из плоскостей, перпендикулярной их прямолинейным образующим, имеют форму лемнискат с двумя разными фокусами и общей узловой точкой, при этом узловая точка и фокусы обеих лемнискат лежат на одной прямой.

Кроме того, электроды осесимметричного электростатического канала торможения имеют форму усеченных конусов, большие основания которых обращены к большим основаниям соседних конусов, а меньшие - к меньшим, при этом входные и выходные отверстия электростатического зеркала совмещены с узловыми точками лемнискат, фокус канала торможения совмещен с входным отверстием, а приемник заряженных частиц - с выходным отверстием.

На чертеже дана схема предлагаемого

0 устройства.

Устройство содержит электроды лемнискатического зеркала 1 и 2, конусовидные электроды 3-6 предварительного торможения, коллектор 7. Устройство расположено напротив исследуемого образца 8,

5 напротив которого расположен источник 9 излучения.

Электроды 1 и 2 выполняются в виде двух цилиндрических поверхностей с сечениями, являющимися лемнискатами Бернулли, т.е. кривыми, описывающимися уравнением

(C.s),

2(хгц-)1

где х,у -координаты;

CiM Cj -константы, причем индекс «1 относится к внутреннему электроду, «2 - к внещнему.

Между электродами прикладывается тормозящее поле, т. е. рассматриваемый анализатор является анализатором зеркального типа, который по форме может быть назван лемнискатическим зеркалом. Второй важной составной частью спектрометра является конусовидная четырехэлектродная электронная линза, обеспечивающая торможение потока и фокусировку его перед вводом в анализатор.

Возможны различные варианты выбора конструкции и электрического управления предлагаемого спектрометра, причем оптимальность данного выбора зависит от конкретных потребностей эксперимента. -Рассмотрим случай, когда промежуточный фокус и приемная щель коллектора 7 находятся на одном уровне, совпадающем с узловой точкой лемнискатических электродов. Диспергирующие свойства устройства определяются углом ос между осями линзы и лемнискатического зеркала, причем приведенная дисперсия 6 , т.е. быстро растет с ростом угла . При (Х- 70° она более чем втрое превосходит дисперсию гиперболического зеркала. При данном угле ввода обеспечивается хорошая пространственная фокусировка потока, обеспечивающая не только требуемый сбор частиц, но и компенсирующая увеличение углов после промежуточного фокуса из-за торможения потока.

При конкретной реализации спектрометра лемнискатические электроды легко могут быть выполнены в виде нескольких сопряженных между собой частей круговых цилиндров и плоскостей. Константа Ci выбирается из условий пространственной фокусировки, а Сц. из соображений конструктивного удобства. При йС 70° целесообразно выбор подчинить следующим условиям: внутренний электрод

р () 2.2764 (хЧ , внешний электрод

1()0.31324(х%у), где 1 - базовый размер, равный расстоянию между двумя фокусами зеркал Г и 2.

Размеры конусов линзы также могут варьироваться, однако, так как линза составляет с лем,нискатическим зеркалом единую электронно-оптическую систему, промежуточный фокус должен быть строго

фиксирован. В рассматриваемом случае максимальный радиус конусов вдвоебольше минимального, а электрод 5 вдвое короче других электродов.При осуществлении развертки по спектру анализатором меняется лишь тормозяшая разность потенциалов между электродами 1 и 2, остальные потенциалы фиксируются. Для реализации режима д const развертка по спектру осуществляется электродом 3, при этом потенциалы электродов 4 и 5 становятся управляющими. В нашем конкретном случае они зависят от потенциала развертки Vp линейным образом.

5V5 -l.W0.84Vp.

V4 -1.4+0.31Vp.

Указанные зависимости позволяют решить главную задачу согласования линзы и лемнискатического зеркала, а именно,

Q обеспечить постоянство положения промежуточного фокуса.

Устройство работает следующим образом При помощи внешнего привода устрот80 ориентируется относительно образца 8, при этом входная апертура электрода 6 выделяет из эмиттируемых электронов требуемый угловым разрещением телесный угол Д5 . Конусовидная линза, образованная электродами 6, 5, 4 и 3, тормозит и фокусирует пучок электронов в точке проQ межуточного фокуса, кроме того, в ней же происходит предварительная сепарация электронов по энергиям. Лемнискатическое зеркало из-за сильных диспергирующих свойств разделяет поток на моноэнергетические составляющие и фокусирует одну

5 из них, идущую по основной траектории в приемную щель коллектора 7. Попавшие в коллектор электроны создают электрический ток, который и несет информацию о спектре.

В дальнейшем при помощи внешнего привода вращением перестраивается ориентация электроанализатора относительно образца 8, при этом исследуется энергетический спектр в другом угловом диапазоне, т. е. проводится снятие и углового спек5 тра одновременно с энергетическим.

Таким образом, электростатический спектрометр угловых и энергетических распределений заряженных частиц, в котором вращающийся энергоанализатор образован лемнискатическими полезадающими электродами, а совмещенная с ним система торможения - конусовидной линзой, позволяет получить втрое большую дисперсию и разрешение, чем прототип. Система торможения с простым линейным управлением позволяет реализовать разные режимы снятия спектра, улучшает обзор образца для его возбуждения и расширяет доступный диапазон углового спектра.

1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР УГЛОВЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий двухэлектродное электростатическое зеркало с входным и выходным отверстиями, электроды которого выполнены в виде внещней и внутренней поверхностей цилиндрической формы. осесимметричный электростатический канал торможения частиц с четным числом электродов, ось которого проходит через входное отверстие электростатического зеркала, и приемник заряженных частиц, расположенный со стороны выходного отверстия электростатического зеркала, установленные с возможностью одновременного изменения пространственной ориентации без взаимного смещения всех частей устройства, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрещающей способности устройства по энергии и увеличения диапазона измеряемых углов, электроды электростатического зеркала в каждой из плоскостей, перпендикулярной их прямолинейным образующим, имеют форму лемнискат с двумя разными фокусами и общей узловой точкой, (О при этом узловая точка и фокусу обеих лемнискат лежат на одной прямой. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электроды осесимметричного электростатического канала торможения имеют форму усеченных конусов, большие основания которых обращены к большим основаниям соседних конусов, a меньшие - ел к меньшим, при этом входные и выходные ото верстия электростатического зеркала совмещены с узловыми точками лемнискат, фокус О) канала торможения совмещен с входным 00 отверстием, a приемник заряженных частиц - с выходным отверстием.