Электронный спектрометр Советский патент 1987 года по МПК H01J49/44 

Изобретение относится к области электрониой спектроскопии и масс- спектрометрии.

Цель изобретения - увеличение площади сканирования образца электронного спектрометра на базе квазиконического энергоанализатора за счет введения дополнительного поворотного устройства, а также упрощение конструкции и снижение вторично-эмиссионных эффектов, связанных с краями щелей.

На фиг,1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 и 3 - диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит образец 1 , первый электрод 2 поворотного устройства, второй электрод 3 поворотного устройства, размещенньй4 за перразующееся при разности потенциалов между этими электродами. В этом поле происходит отклонение частиц, которые входят затем через входную

5 щель в знергоанализатор под углом об к оси Z с угловым раствором uei-.B зависимости от режима работы пово- ротного устройства касательные к электронным траекториям в области

О входной щели сходятся на точечном или кольцевом мнимом изображении, так что сам эИергоанализатор как бы рассматривае т мнимый источник, оптимально по отношению к нему рас 5 положенный. Пройдя через входную щель 6 энергоакализатора, частицы диспергируются и фокусируются в поле, образующемся при подаче разности потенциалов между внутренним 4 и

вым электродом 2, внутренний электрод 20 внешним 5 электродами. Моноэнергети- 4 энергоанализатора, установленный снаружи от электродов 2 и 3, внешний электрод 5 энергоанализатора, установленный снаружи от электрода 4, входную 6 и выходную 7 щели, выполненные в электроде 4, источники 8 облучения, приемную щель в выходной диафрагме 9, электронный умножитель 10, установленный за диафрагмой 9, систему управления, сбора и обработки информации (СУСОИ) 11,

Первый электрод 2 поворотного устройства вьтолнен в виде сплошного конуса с двумя кольцевыми щелями . либо в виде сетки из металлических Нитей, натянутых по образующим конуса и лежащих в тех же меридиональных плоскостях, что и нити, затягивающие входную и выходную щели во внутреннем электроде энергоанализатора.

Второй электрод 3 поворотного устройства в режиме создания им мнимого кольцевого изображения может быть выполнен также в виде конической сетки с определенным углом раствора, что существенно снижает вторично- эмиссионные эффекты и увеличивает соотношение сигнал - шум спектрометра, не ухудшая разрешения.

Устройство работает следующим образом. I

Заряженные частицы, испускаемые

образцом 1 под воздействием источников 8 облучения, под углом f к оси и с раствором и и попадают в область между электродами 2 и 3 поворотного устройства, в котором действует тормозящее электрическое поле, обческий пуяюк, концентрирующийся вблизи осевой траектории, через выходную щель 7 выводится в дрейфовое пространство,попадает затем в прием ную щель диафрагмы 9 и регистрируется электронным умножителем и СУСОИ 11.

Выражение потенциала, послужившее дпя определения формы полезадающих электродов (фиг,2), получено из сле30 дующих теоретических соображений. I .

Известно, что плоское зеркало в зависимости от угла ввода и энергии пучка из дрейфового пространства осу ществляет действительную либо мнимую фокусировку с легко рассчитьшаемыми параметрами. Для построения осесим- метричной системы, в которой реализуется поле с характеристиками, подоб40 ными плоскому зеркалу в области,

прилегающей к заранее заданному осе- симметричному эквипотенциальному конусу, угол раствора которого должен был варьироваться в широких пределах,

45 была сформулирована задача Коши для осесимметричного уравнения Лапласа со следующими условиями: найти решение Р(р,у) осесимметричного уравнения Лапласа, которое в полярных

50 координатах р 4г + Z if

arctg имеет вид -3-Tp f)

. эочар

55

9pN ар

sin

У 9у

лXJ

(sin |)0, (1)

обращающееся в О на заданном конусе ср и, кроме того, ш 1еющее постоянную вдоль всей образующей нормаль- ную компоненту поля Е„, Нормальная к

разующееся при разности потенциалов между этими электродами. В этом поле происходит отклонение частиц, которые входят затем через входную

щель в знергоанализатор под углом об к оси Z с угловым раствором uei-.B зависимости от режима работы пово- ротного устройства касательные к электронным траекториям в области

входной щели сходятся на точечном или кольцевом мнимом изображении, так что сам эИергоанализатор как бы рассматривае т мнимый источник, оптимально по отношению к нему расположенный. Пройдя через входную щель 6 энергоакализатора, частицы диспергируются и фокусируются в поле, образующемся при подаче разности потенциалов между внутренним 4 и

0 внешним 5 электродами. Моноэнергети-

ческий пуяюк, концентрирующийся вблизи осевой траектории, через выходную щель 7 выводится в дрейфовое пространство,попадает затем в приемную щель диафрагмы 9 и регистрируется электронным умножителем и СУСОИ 11.

Выражение потенциала, послужившее дпя определения формы полезадающих электродов (фиг,2), получено из сле0 дующих теоретических соображений. I .

Известно, что плоское зеркало в зависимости от угла ввода и энергии пучка из дрейфового пространства осу ществляет действительную либо мнимую фокусировку с легко рассчитьшаемыми параметрами. Для построения осесим- метричной системы, в которой реализуется поле с характеристиками, подоб0 ными плоскому зеркалу в области,

прилегающей к заранее заданному осе- симметричному эквипотенциальному конусу, угол раствора которого должен был варьироваться в широких пределах,

5 была сформулирована задача Коши для осесимметричного уравнения Лапласа со следующими условиями: найти решение Р(р,у) осесимметричного уравнения Лапласа, которое в полярных

0 координатах р 4г + Z if

arctg имеет вид -3-Tp f)

. эочар

5

9pN ар

sin

У 9у

лXJ

(sin |)0, (1)

обращающееся в О на заданном конусе ср и, кроме того, ш 1еющее постоянную вдоль всей образующей нормаль- ную компоненту поля Е„, Нормальная к

313041

градиента потенциоординатах имеет

(2)

3

const

(3)

заведомо выполнится, если удастся найти решение для (1) вида

9 pf(y).W

Действительно, величина

Еп -(4 -Ц (5) не зависит от р и, следовательно, при Ч const Е const также

Подстановка предполагаемой формы решения (4) в (l) дает для f обыкновенное дифференциальное уравнение, которое является уравнением функций Лежандра с нулевым индексом

.(

25

f + ctgcf . f + 2f 0. (6) Общий интеграл для (6) имеет вид J C,cosqj + Cj 1 + cosq In tg |j

(7) 30

И, следовательно, искомый потенциал (7) {4) должен иметь вид

Р ,cosq + + coscf In tg |).

(8)

Подчинив теперь эту функцию условиям

Ф/ -F -fr tf-q-o р 3(

35

40

можно получить равенства

i o

C,coscf + C, ч- coscfo In tg -|) 0,

fp

+ q(sintfo In tg - .

Решая эту алгебраическую систему относительно постоянных С и С, можно получить

.ln tg 4 o/2 5 i п q o cosTf о Е

С, Е

i Т + tg cfo

Таким образом, имеется возможность построить поле, однородное вдоль всей образующей конуса ( Cfд и прак13041

нциет

fO

15

я

5) , акже.

рмы 20 кное, ций

25

6) j

7) 30

иал

|).

ви35

40

0,

45

50

9)

55

ность рак064

тически не меняющееся в достаточно узком слое, прилегающем к этому эквипотенциальному конусу. Электронно- оптические характеристики такой системы очень близки к плоскому зеркалу, если только траектории не заходят слишком далеко от конуса Cf . Эквипотенциалы поля представляют собой поверхности вращения, проходящие через вершину конуса, причем вдали от оси симметрии они постоянно превращаются в конусы, параллельные начальному (cf), а при приближении к началу координат вытягиваются в иглу. Дпя реализации этого поля нужно взять Какую-нибудь эквипотен- циаль Р Cj, тогда ее уравнение имеет вид

р(С, С,(1 + coscf In tg |)j

Сз, где С, и С взяты из (9).

Отсюда и получают выражение для точной формы полезадающего электрода поворотного устройства.

Величина С имеет наглядный физический смысл геометрического фактора, определяющего максимальное расстояние вдоль оси Z между электродами 2 и 3 поворотного устройства (фиг.З), характеризует габариты.этого устройства и для практически интересных случаев реализации может быть выбрана в зависимости от конкретных требований к габаритам из диапазона значений 0,1 С ,2.

Положение вершины конического электрода на оси Z (точка А) определяется выражением

. .ZA - ZD Гд ctgtfo- 2S,

гле S есть отрезок PQ, т.е. ширина входной щели в электроде 4 квазиконического энергокатализатора (фиг.2).

Положение вершины конуса не слишком критично сказывается на работе поворотного устройства, та.к как зеркальный режим его работы допускает перемещение зеркала параллельно . самому себе в пределах величины .

Угол cpQ в каждом конкретном случае практической реализации опреде- ляетсА через углы в и об ввода осевой траектории соответственно в поворотное устройство и в квазиконический энергоанализатор (фиг.2). Точка L - место пересечения осевой траектории с внешним электродом 2 поворотного

51304106

устройства, где прорезается входная , п;ель поворотного устройства, об - угол вывода осевой траектории из поворотного устройства через электрод 2 в точке К. Здесь прорезается 5 выходная щель поворотного устройства, 0(, - угол касательной к траектории в точке К, Этот же угол об является углом ввода осевой траектории во входную щель PQ квазиконического Ф энергоанализатора, прорезанную в электроде 4 этого анализатора в соответствии с выбранным режимом его работы, об - угол касательной к траектории в точке D (середина щели с коор- 5

D не менее чем в 2,5 раза больше, а не менее чем в 4 раза меньше соответствуюпщх значений цилиндрического зеркала. Таким образом, в предлагаемом устройстве теоретически достижима разрешающая способность R не менее чем в 10 раз большая, чем в цилиндрическом зеркале (если у цилиндрического зеркала 1/R 1, то здесь I/R|(g 0,1 %). При этом одZD).

динатами Гд,

Диапазон углов 70 t б 90 определяется выбором режима работы квазиконического энергоанализатора (режим фокусировки: мнимое кольцо - ось) в соответствии с теорией его работы.

Диапазон углов 10 6 и; 30 определяется взаимным расположением

20

новременно площадь сканирования увеличивается в -:5 раз, где М - линей-

ное увеличение поперечного размера источника частиц. Поскольку в данном случае /М/ 0,1, как это следует из построения изо(5ражения источника на основе расчета траекторий, то увеличение площади будет не менее чем в 100 -раз, т.о. вместо 0,2 Х0,2 мм будет 2«2 мм.

Конкретная реализация устройства позволяет изменять расстояние от образца до энергоанализатора в диавходной щели квазиконического энерго- пазоне 0-30 мм без изменения разреанализатора и исследуемого источника

заряженных частиц (образца) с учетом

необходимости максимального удаления

последнего от входа в анализатор

(для обеспечения свободы манипуляций

с образцом 1).

Указанные диапазоны углов oi и р дают диапазон возможных углов для величины Срд в соответствии с форму30

шения и при очень слабом влиянии на положение спектральных линий. Размеры змиттирующего участка образца, отображаемого без искажений в анализируемых электронах, составляет 22 мм, что на два порядка превосходит обычно используемое цилиндрическое зеркало таких же габаритов и на порядок превосходит цилиндричеслой

СР 2

40 tfo 60 . Эта формула легко находится из очевидных геометрических соотношений

между углами (фиг.

,

.

Исключая угол Y из системы, находят приведенную связь между углами ai , |3

ИЦ оОжидаемый эффект прогнозируется с очевидностью на основе следующей оценкиi Как известно, разрешающая способность R

«

где D - дисперсия;

А - аберрационное утирание изображения источника. Из теории квазиконического энергоанализатора следует, что для него

D не менее чем в 2,5 раза больше, а не менее чем в 4 раза меньше соответствуюпщх значений цилиндрического зеркала. Таким образом, в предлагаемом устройстве теоретически достижима разрешающая способность R не менее чем в 10 раз большая, чем в цилиндрическом зеркале (если у цилиндрического зеркала 1/R 1, то здесь I/R|(g 0,1 %). При этом од

новременно площадь сканирования увеличивается в -:5 раз, где М - линей-

ное увеличение поперечного размера источника частиц. Поскольку в данном случае /М/ 0,1, как это следует из построения изо(5ражения источника на основе расчета траекторий, то увеличение площади будет не менее чем в 100 -раз, т.о. вместо 0,2 Х0,2 мм будет 2«2 мм.

Конкретная реализация устройства позволяет изменять расстояние от образца до энергоанализатора в диапазоне 0-30 мм без изменения разре

шения и при очень слабом влиянии на положение спектральных линий. Размеры змиттирующего участка образца, отображаемого без искажений в анализируемых электронах, составляет 22 мм, что на два порядка превосходит обычно используемое цилиндрическое зеркало таких же габаритов и на порядок превосходит цилиндрическое зеркало с щаровым поворотным устройством.

Данная энергоанализирующая система с поворотньм устройством легко настраивается в оптимальный режим за

счет изменения соотношения между по- тенциалами на поворотном электроде и на внешнем электроде энергоанализатора. Функцию настройки в режим наибольшей чувствительности в спектрометре осуществляет СУШИ, управляющая соответствующими потенциалами на основе анализа сигнала с электронного умножителя,

Таким образом, электронный спектрометр, энергоанализирующая система которого состоит из квазиконического знергоанализатора и встроенного в него малогабаритного поворотного уст-:;

ройства с коническим входным электродом, обладая высоким энергетическим разрешением позволяет фокусировать при очень малых аберрациях заряженные частицы, змиттированные с большой

площади образца, зондируемой источниками облучения при изменяющихся в широком диапазоне расстояниях от образца до энергоанализатора. Кроме того, имеется возможность электрон- ной настройки спектрометра в режимы наибольшей чувствительности и предельного разрешения.

Формула изобретения

1. Электронный спектрометр, содержащий соосные квазиконический энергоанализатор, держатель облучаемого образца и приемник вторичных частиц, установленные на входе и на выходе знергоанализатора, а также источник облучения образца, оптическая ось которых проходит через держатель образца, отличающийся тем, что, с целью увеличения площади сканирования образца, энергоанализатор снабжен устройством поворота пучка, выполненным из двух соосных осесимметрических изолированных электродов, причем внешний электрод с выполненными в нем входной и выходной концентрическими щелями выполнен в виде конической поверхности с углом полураствора при.вершине , а внутренний электрод имеет сег

3

Hcmomwe vae/m/tf {оерозец}

чение в меридиональной плоскости, соответствующее .в полярной системе координат выражению

Р(Ч )

С, COS Cf- Сг f U С05 Ц БП tfl Y

где р - полярный радиус, м;

ср - азимутальньй угол, рад.

fsinTf T cos cfo

4-0/2.

L я

1

1 + tgcfo

7. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкций, внутренний электрод устройства поворота вьтол- нен в виде конической поверхности с углом полураствора при вершине конуса q .

3. Спектрометр по п.2, отличающийся тем, что, с целью снижения вторично-эмиссионных эффектов, «связанных с краями щелей, оба электрода устройства поворота выполнены в виде конических поверхностей, образованных металлическими нитями, натянутыми вдоль образующих конусов, и лежащих в совмещенных меридиональмнте

ных плоскостях. 3 f HiMoe

озод юмемие

Фие..

Фиг.З

Изобретение относится к области электронной спектрометрии и к масс- спектрометрам. Цель изобретения - увеличение площади сканирования образца на базе кназиконического энергоанализатора - достигается за счет введения дополнительного поворотного устройства, упрощения конструкции и снижения вторично-эмиссионных эффектов. Устройство содержит образец 1, первый 2 и второй 3 электроды поворотного устройства, внутренний 4 и внешний 5 электроды энергоанализатора, источники 8 облучения, выходную диафрагму 9, электронный умножитель 10, систему 11 управления, сбора и обработки информации. Электроды 2 и 3 выполнены в виде конических поверхностей, образованных металлическими нитями. Введение малогабаритного поворотного устройства позволяет фокусировать при малых аберрациях заряженные частицы, эмиттированные с большой площади образца. При этом обеспечивается электронная настройка спектрометра в режимы наибольшей чувст- . вительности и предельного разрешения. 2 з.п.ф-лы. 3 ил. i СЛ 1 о о 05 7О-ГГ фuгf