Энергоанализатор заряженных частиц Советский патент 1989 года по МПК H01J49/44 

анализаторях типа зеркала относительная дисперсия растет с ростом угла Q входа частиц в поле. В двумерных (не зависящих от координаты Z) полях она связана с углом следующей формулой:

Р § d d Э 2cosZ6

где D - линейная дисперсия анализатора; d - база прибора, равная расстоянию между источником и детектором заряженных частиц, отсчитываемому вдоль оси Z; - энергия анализируемых частиц. Поэтому для получения большой дисперсии необходимо увеличить угол О . Вместе с тем, в прототипе величина угла б, обеспечивающего острую фокусировку в плоскости дисперсии, однозначно задается конфигурацией электродов и составляет 49,7.

В данном устройстве конфигурация поля в межэлектродном пространстве может варьироваться путем изменения числа частей электродов и размеров этих частей, а также путем подсоединения их к различным источникам питания. Такое устройство имеет много степеней свободы и дает возможность не только увеличить угол 6, а следовательно, повысить дисперсию анализатора, но и улучшить другие характеристики прибора. Так, например, если один из электродов является не сплошным, а выполнен из трех частей, то появляются две дополнительные степени свободы, связанные с возможностью выбора размера симметричных частей и потенциала на них, При разделении электрода на (2п+1) число частей получается 2п дополнительных степеней свободы в формировании поля

Каждая дополнительная степень сво боды позволяет удовлетворить какому- либо дополнительному условию, наложенному на оптические свойства анализатора, например, удовлетворить условию обрагцения в ноль одного коэффициента аберрации. Число степеней свободы в предлагаемом анализаторе ограничено тем, что число частей в каждом электроде должно быть нечетным, плоскости симметрии элект родов и их частей должно совпадать, и симметричные части электрода должны попарно подсоединяться к своему источнику питания. Выполнение ука0

5

0

5

0

5

5

0

5

занных требований необходимо для того, чтобы электрическое поле анализатора имело плоскость симметрии, в которой лежит осевая траектория пучка и происходит дисперсия час- по энергии. В отсутствие плоскости симметрии электрического поля осевая траектория перестает быть плоской, что приводит к смещению изображения (а следовательно, и выходной щели) относительно плоскости дисперсии, и существенно затрудняет настройку. Кроме того, возникают дополнительные аберрации изображения, в результате чего уменьшается удельная дисперсия и разрешающая способность прибора.

Для того, чтобы предлагаемое устройство бьшо эффективным и создавало требуемое распределение поля в области прохождения пучка (вблизи плоскости симметрии) необходимо, чтобы расстояния между зазорами и плоскостью симметрии были сравнимы с расстоянием между центральными частями противолежащих электродов и, следовательно, меньше расстояния между входной и выходной щелями.

Расчет различных вариантов анализаторов показал, что острая фокусировка в плоскости дисперсии, осуществляемая одновременно с высококачественной пространственной фокусировкой обеспечивается в том случае, когда все части электрода, противолежащего электроду, с выходной щелью, подсоединены с одноименным полюсам источников.

Изобретение позволяет добиться существенного улучшения дисперсии и разрешающей способности предлагаемого анализатора по сравнению с прототипом.

На фиг.1 изображено поперечное сечение предлагаемого анализатора, электроды которого состоят из двух плоских пластин, разрезанных на части; на фиг.2 - сечение того же анализатора плоскостью симметрии; на фиг.З показано поперечное сечение анализатора, образованного двумя частями круговых цилиндрических поверхностей, разрезанного на части; на фиг.4 - сечение анализатора, в виде кругового цилиндра.

Центральная часть 1 и две симметричные части 2 формируют один из электродов анализатора. Противолежащий электрод также образован центральной частью 3 и двумя симметричными частями 4. Центральная часть 3 электрода подсоединена к источнику питания 5 так, что заряженные частицы отражаются от части электрода 3. На фиг,1 показана полярность источников, соответствующая анализу электродов. Симметричные части элект родов 2 подсоединены к одному полюсу источника питания 6, а симметричные части 4 - к одному полюсу источника 7. Второй полюс источников 5, 6 и 7 соединен с частью электрода 1. На фиг.1 второй полюс источников 5, 6, 7, а также часть электрода 1 заземлены.

На фиг.2 изображено сечение того же анализатора плоскостью симметрии. В данной К нкретной конструкции входная щель 8, так же как и выходная щель 9 расположены на центральной части 1. Входная щель может располагаться и на диафрагме (не показана), установленной перпендикулярно плоскости симметрии.

На фиг.3 показано поперечное сечение анализатора, образованного двумя частями круговых цилиндричес- кик поверхностей. Электрод 10 с выходной щелью (на фиг.З не показана) не разрезан. Центральная часть 1 и две симметричные части 12 составляют противолежащий электрод. Центральная часть электрода 11 подсоединена к одному полюсу источника 13 питания, симметричные части электрода 12 соединены с одноименным полюсом источника 14. Противоположные полюса источников 13 и 14 соединены с электродом 10 (на фиг.З заземлены)

Работа предлагаемого энергоанализатора дана на примере устройства, изображенного на фиг.1 и 2.

Пучок заряженных частиц, пройдя через входную щель 8 устройства, попадает в анализирующее поле и отражается от центральной части 3 противолежащего электрода. Если входная щель 8 расположена на той же части электрода, что и выходная щель 9, то траектории заряженных частиц оказываются симметричными относительно точки поворота. Частицы различных энергий описывают в поле различающиеся траектории, поэтому при заданных потенциалах на электродах в выходную щель 9 устройства попадают частицы определенной энергии. Симметричные части электродов 2 и 4, благодаря поданным на них дополнительным потенциалам, создают фокусирующее воздействие на пучок, а также увеличивают пространственное разделение пучков различных энергий.

Б качестве примера можно привести расчет характеристик анализаторов, изображенных на фиг.1 и 3. Расчет траекторий заряженных частиц в плоскости симметрии внутри анализатора может проводиться по формуле

j cosgdy .

, ( y)

V;,

Здесь потенциал ф характеризует

о7

,, ..mV о начальную скорость v частиц ( ) Уд, Z-0 - координаты входной щели; (у) - распределение потенциала в плоскости Симметрии. Угол б, при котором происходит фокусировка первого и второго порядков в плоскости дисперсии, определялся из усZ - Z,

(2)

ловии

(ZKIZ) )

ае а©(3)

где Z ( - координата положения детектора. Относительная дисперсия анализатора вычисляется по формуле (1). Расчет проекций траекторий в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии, и определение УСЛОВИЙ пространственной фокусировки производится путем численного интегрирования на ЭВМ.

Для анализатора, изображенного на фиг.З, был разработан эскизный проект и рассчитаны его оптические характеристики. Расчет проводился для следующих значений геометрических параметров: радиус кривизны электрода 10 равен R 68 мм, радиус час0

5

1 9

2. составляет

тей электрода 1 R 30 мм, расстояние между центрами кривизны О 1 - 0,2. равно 82 мм, угловой размер электрода 11 составляет 80, расстояние между входной и выходной щелями, расположенными на электроде 10, равно d 75 мм.

При работе ан;шизатора электрод 10, на котором расположены входная и выходная щели, заземлялся. Цстенци- алы на частях электрода 11 и 12 зависят от энергии настройки анапизатоpa, т.е. от энергии частиц, пропускаемых выходной щелью. При энергии настройки, равной 100 эВ, на центральную часть электрода 11 подается потенциал, равный (-90) В (при анализе электронов), на симметричные части электрода 12 - потенциал (-170) В. При анализе положительных ионов потенциалы меняют знаки. Потен циалы подаются или от отдельных выпрямителей или от одного выпрямителя через потенциометр. Во втором случае один конец потенциометра заземлен, потенциал на симметричные части элек рода 12 снимается с другого конца потенциометра (потенциал на центральную часть электрода 11 - с промежуточной точки). При снятии энергетического спектра заряженных час- тиц энергия настройки должна плавно меняться, при этом все потенциалы изменяются пропорционально энергии настройки.

В описанной конструкции угол входа частиц, обеспечивающий острую фокусировку в плоскости симметрии, составляет 0 58°. При этом относительная дисперсия анализатора равна D/d 1,8, что в полтора раза больше чем в прототипе, где D/d 1,2. Разрешающая способность равна F. 145 при ширинах входной и выходной щелей, равных S/d 0,25-10 и углах

ка в плоскости симметрии, равен б 59°, При этом получены следующие значения дисперсии D и разрешающей способности: R:D/d 1,9, R ISO. Как видно из сравнения с прототипом данная конструкция обеспечивает значительный выигрыш в параметрах, при этом она существенно более проста в изготовлении и юстировки. Дальнейшего улучшения параметров в этой конструкции можно достичь, разрезая на части электрод с выходной щелью и подавая на симметричные части допол- нительньй потенциал, как показано на фиг.1.

По сравнению с обычным плоским зеркалом, образованным двумя электродами, предлагаемое устройство позволяет создать существенно неоднородное поле, обеспечивающее фокусировку пучка не только в плоскости симметрии, но и в перпендикуляном направлении. Наличие пространственной фокусировки позволяет значительно повысить светосилу анализатора.

Устройство может быть осуществлено не только на основе двумерных конструкций, примеры которых даны на фиг.1-4. Возможно также использование конических электродов, разрезанных по образующим. При этом попе

Изобретение может применяться, например, для исследования плазмы и позволяет увеличить дисперсию и разрешающую способность энергоанализатора (ЗА) за счет возможности варьирования распределений потенциала в области дисперсии. Центральная часть 1 и две симметричные части 2 формируют один из электродов. ПротиволежаИзобретение относится к приборам для анализа заряженных частиц по энергии и может применяться для исследования плазмы, поверхности вещества, процессов электронных и атомных столкновений и т.д. Целью изобретения является увеличение дисперсии и разрещающей способности электрического энергоанализатора за счет возможности варьирования распределений потенциала в области дисперсии. щий электрод также образован центральной частью 3 и двумя симметрич- ными частями 4. Плоскости симметрии электрода и их частей 1-4 совпадают, а симметричные части 2 и 4 попарно соединены с источниками 6 и 7 питания. Благодаря этому электрическое поле ЗА имеет плоскость симметрии, в которой лежит осевая траектория пучка и происходит дисперсия частиц по операциям. Изменение числа частей электродов и нх размеров, подсоединение их к различным источникам 5-7 питания з величивает угол Q входа частиц в поле, а следовательно, повышает дисперсию ЭА. Дня создания в ЗА требуе 5ого распределения поля в области прохождения пучка необходимо, чтобы расстояние между зазором и плоскостью cи iмeтpии были сравнимы с расстояниями между центральными частями 1 и 3 электрода и, следовательно, меньше расстояния между входной и выходной ш.елями. 4 ил. Изготовление электродов из нечетного числа частей, разделенных Зазорами, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью симметрии электродов и попарное подсоединение симметричных частей электродов соответственно каждая пара к источнику питания дают иное, по сравнению с прототипом, распределение потенциала в пространстве между - электродами, что позволяет повысить дисперсию и разрешающую способность энергоанализатора. Известно, что в iO СО «- о 00 О5 со

раствора пучка в двух взаимно перпен-35 Ручное сечение анализатора совпадает,

дикулярных направлениях, равных о

-V 0,1 рад. В-прототипе при тех же входных параметрах разрешающая способность составляет Р.. 100.

например с изображением на фиг.4,а в плоскости симметрии сечение представляет собой две прямые, исходящие из точки, являющейся вершиной конуса. В этом случае.поле не является двумерным, а меняется также вдоль оси Z, что обеспечивает дополнительные возможности повышения дисперсии.

Был проведен расчет характеристи плоского анализатора, изображенног на фиг.1. Электрод со щелями в данном конкретном примере не разрезан на части и заземлен. Ширина централ ной части 3 противолежащего электрода выбрана равной d 12 мм, расстоние между электродами 1 и 3 составляет h 20 мм, ширина части электрда 4 равна 15 мм, расстояние между входной и выходной щелями, расположенными на электроде 1, составляет d 33 мм. При энергии настройки, равной 100 эВ, потенциал на центральной части 3 электрода равен (-83) В, потенциал на симметричных частях 4 составляет (-180) В. Угол входа пучка заряженных частиц, при котором происходит острая фокусиров

Ручное сечение анализатора совпадает,

°

например с изображением на фиг.4,а в плоскости симметрии сечение представляет собой две прямые, исходящие из точки, являющейся вершиной конуса. В этом случае.поле не является двумерным, а меняется также вдоль оси Z, что обеспечивает дополнительные возможности повышения дисперсии.

рмула изобретения

°

Энергоанализатор заряженных частиц, включающий два плоских, цилиндрических или конических электрода с выходной щелью на одном из них и с плоскостью симметрии, проходящей через входную и выходную щели, и источники питания электродов, отличающийся тем, что, с целью увеличения дисперсии и разрешающей способности, по крайней мере один из электродов выполнен из нечетного числа частей, разделенных зазорами, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью симметрии электродов, причем расстояние между зазорами и плоскостью симметрии меньше расстояния между входной и выходной щелями, симметричные части электх

родов гальванически соединены ме; кду собой, а все части электрода, противолежащего электроду с выходной щелью, подсоединены к полюсам источников одинаковой зарядности.

Фа-з.

Составитель А, Нестерович Редактор Л. Дашкова Техред М.ХоданичКорректор С. Шекмар

Заказ 4725

Тираж 694

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Фи. д

Подписное