Электростатический спектрометр для энергетического и углового анализа заряженных частиц Советский патент 1989 года по МПК H01J49/44 

Изобретение относится к приборам датя анализа заряженных частиц по энергии и углу и может применяться для исследования плазмы, поверхности вещества, процессов электронных и атомньк столкновений и т.д.

Целью изобретения является увеличение дисперсии и разрешающей способности электростатического спектрометра для энергетического и углового анализа заряженных частиц за счет изменения числа частей электродов спектрометра и размеров этих частей, а TaioKe путем подсоединения их к отдельным источникам питания.

На чертеже изображено пЬперечное сечение одного из возможных вариантов спектрометра.

Спектрометр выполнен в виде двух электродов, имеющих форму, например, соосньгх конусов с одинаковыми углами раствора и разнесенными верпшнами. Части 1, 2, 3 образуют внешний электрод. Внутренний электрод 4 (показан вариант неразрезанного внутреннего электрода) снабжен входной 5 и выходной 6 кольцевыми щелями. Исследуемый образец 7 расположен на оси симметрии cиcтe ы. Детектор 8 имеет форму кольца с центром на оси спектрометра.

Части 1,2, 3 внешнего электрода соединены с отрицательным полюсом источников питания 9, 10, 11 соответственно . Внутренний электрод 4 должен быть соединен с положительным полюсом источников питания 9, 10, 11. Второй полюс источников 9, 10, -11 и-внутренний электрод 4 заземлены. Указанная полярность источников соответствует анализу электронов. При анализе положительно заряженных частиц все части внешнего электрода соединяются с положительными полюсами источников, а внуреннего - с отрицательными Показаны также: Р - длина части 2 внешнего элетрода, h - расстояние между электродами, d - расстояние между входной 5 и выходной 6 щелями (база), 2 Pi- полный угол раствора электродов спектро- метра.

Работа предлагаемого спектрометра на примере изображённого устройства осуществляется следующим образом. Испускаемый образцом 7 дисковьй пучок заряженных частиц проходит через входную щель 5, попадает в анализирующее поле спектрометра, где отражается от внешнего электрода и диспер

0

5

0

5

0

5

0

5

гирует по энергии. Частицы с выделенным значением энергии проходят через выходную щель 6 и фокусируются на детекторе 8. Таким образом осуществляется анализ по энергии. Вследствие наличия осевой симметрии частицы, выходящие из образца 7 в плоскости Z const под разными углами, попадают в различные точки детектора и, таким образом, осуществляется анализ заряженных частиц по углам вьтета. При соединении частей внешнего электрода с отдельными источниками питания и установлении на них соответствующих потенциалов распределение поля в межэлектродном пространстве рпектро- метра существенно перестраивается, что позволяет добиться значительного увеличения дисперсии и разрешающей способности.

Для уменьшения размера детектора осевые траектории пучка после прохождения выходной щели должны быть направлены к оси спектрометра или, в предельном случае, параллельны ей. Поскольку пучок выходит из образца перпендикулярно оси, то угол поворота его в электрическом поле должен быть больше или равен 90 . Отсюда следует, что угол входа пучка в поле 9 45°, а значит, угол ,полураствора конусаj3 не должен превышать 45.

Выли исследованы спектрометры с углом полураствора конуса от 30 до 40. В таблице приведены параметры ряда рассчитанных конструкций. Для сравнения, в первой строке таблицы даны характеристики прототипа. Здесь введены следующие обозначения: е - заряд частицы, - ее энергия, D - линейная дисперсия спектрометра, С - коэффициент аберрации второго порядка относительно угла раствора пучка 2(Х, R - разрешающая способность, V,, Vg, Vj - потенциалы, поданные на части 1, 2, 3 внешнего электрода от источников питания 9, iO, 11. Разреша- кщая способность вычислялась при ширинах входной и выходной щелей,раэ- ных ,25« ,H углах раствора пучка, равных ,1 рад, по известной формуле (2S-+-Coi ). Расчеты проводились для симметричной подачи потенциалов: и симметричном расположении кольцевых зазоров относительно входной 5 и выходной 6 щелей.

Сравнение параметров предлагаемого спектра с параметрами прототипа по5139

казывает, что при угле полураствора конуса/5 38 линер ная дисперсия возрастает в 1,2-1,5 раза. При этом коэффициент аберрации С сохраняет тот же порядок величины, что и в прототипе. Удельная дисперсия прибора D/C увеличивается примерно на 30-35%, рост разрешающей способности достигает 40%.

Если угол полураствора конуса составляет 33 , увеличения линейной дисперсии не происходит, однако в два раза падает коэффициент аберрации и соответственно вдвое возрастает удельная дисперсия. При выбранных размерах щелей и. угле раствора пучка это приводит к возрастанию разрешающей способности на 40%. Очевидно, что последний вариант имеет преимущества перед предыдущими в тех случаях, когда угол раствора пучка 2ot. возрастает, а ширины щелей S уменьшаются. .

Расстояние от образца до вершины электрода 4 может составлять например 16 мм, расстояние между щелями d 72 мм,расстояние между электродами мм, длина 1 части электрода 2 равна 40 мм, угол полураствора конуса ft 38° .

Г При работе спектрометра электрод 4, на котором расположены входная и выходная щели, заземляется. Потенциалы на частях электрода 1, 2 и 3 зависят от энергии настройки спектрометра, т.е. энергии частиц, пропускаемых выходной щелью. При энергии настройки, равной 5 100 эВ, на части электрода 1 и 3 подается потенциал -100 Б (при анализе электронов) . На часть электрода 2 подается потенциал V -30 В. При анализе положительных ионов потенциалы V,, V и V меняют знаки. Указанные потенциалы могут подаваться не только от отдельных источников питания, но и от одного источника через потенциометр. Во втором случае один конец потенциометра заземлен, потенциалы V и V снимаются с другого конца потенциометра, потенциал V - с промежуточной точки. При снятии энергетического спектра заряженных частиц энергия настройки должна плавно ые- няться, при этом все потенциалы должны варьироваться таким образом, чтоб отношение ным.

, оставалось постоян0

5

0

5

0

5

0

В описанной конструкции угол входа частиц Q, обеспечивающий фокусировку заряженных частиц на выходной щели, составляет 9 52 . При этом относительная дисперсия спектрометра равна ,5, что в 1,4 раза больще, чем в прототипе. Разрешающая способность возрастает по сравненшо с прототипом на 33%.

Имеется возможность дальнейшего повьшения параметров спектрометра при увеличении числа частей, на которые разделяются как внешний, так и внутренний электроды, и подсоединении их к,соответствующим источникам питания.

Устройство может быть осуществлено также на основе двух конических электродов с различными углами при вершинах, в частности, в этом случае вершины конусов могут быть совмещены. Вариация отношения углов при вершинах создает дополнительную степень свободы в формировании поля спектрометра, а, следовательно, дополнит ел ьнзто возможность повьш1ения его параметров.

Можно использовать осесимметрич- ные электроды различной формы, в том числе цилиндрической.

Бьш проведен расчет энергоанализатора, образованного двумя соосны- ми цилиндрическими электродами, радиусы которых относятся как E. 2,5. Входная и выходная щели расположены на внутреннем электроде, расстояние между ними составляет d 2,0 R,. Внешний электрод составлен из трех частей, подсоединенных к трем отдельным источникам питания. Ширина центральной части равна 1 1,0 . Уменьшение потенциалов V и V, подаваемых на вторую и третью по ходу пучка части внешнего электрода, по - сравнению с потенциалом V,, подаваемым на первую часть, позволяет повы- сить дисперсию и разрешающую способность спектрометра. Если отношение указанных потенциалов и , лежит в пределах 0,2-1,0, происходит

увеличение дисперсии и разрешающей способности в 1,2-1,4 раза.

Достоинством спектрометра с цилиндрическими электродами являются более простая конструкция и меньшие

поперечные размеры. Однако, такой спектрометр не может быть применен для исследования дисковых пучков, т.е. для анализа спектров по полярному углу. Он позволяет исследовать

только азимутапьные спектры, так как анализирует пучки конической формы.

Таким образом, предлагаемая конструкция спектрометра для энергетического и углового анализа заряженных частиц обеспечивает, по сравнению с прототипом, при одинаковых габаритах, повышение дисперсии и разрешающей способности по крайней ме- Ve на 30-40%..

Формула изобретения

15

Электростатический спектрометр для энергетического и углового анализа заряженных частиц, содержащий два со- осных осесимметричных электрода, один из которых расположен внутри другого

и имеет входную и выходную щели для прохождения частиц, а также источник питания электродов, отличающийся тем, что, с целью увеличения дисперсии и разрешающей способности, по крайней мере один из электродов вьшолнен не менее чем из двух частей, разделенных кольцевыми зазорами, расположенными на внутреннем электроде между входной и выходной щелями и/или на внешнем электроде между нормальными проекциями входной и выходной щелей на внешний электрод, причем в устройство введены дополнительные автономные источники питания и части внешнего или внутреннего составного электрода подсоединены к одноименным полюсам автономных источников питания.

Изобретение может быть использовано для исследования плазмы. поверхности вещества, процессов электронных и атомных столкновений. Электростатический спектрометр (ЭСС) для энергетического и углового анализа заряженных частиц выполнен в виде двух электродов, имеющих форму соосньпс конусов с одинаковыми углами раствора и разнесенными вершинами. Части 1-3 образуют внешний электрод. Внутренний электрод 4 имеет входную и выходную щели 5 -и 6 соответственно. Исследуемьй образец 7 располагают на оси симметрии системы. Детектор 8 имеет форму кольца с центром на оси ЭСС. Части 1-3 имеют автономные источники 9-11 питания соответственно. ЭСС позволяет исследовать азимутальные спектры с высокой дисперсией и . разрешающей способностью. 1 ил. 1 табл. Ф С (;о СП о feo

Основные характеристики прототипа и ряда вариантов спектрометра