Электростатический анализатор пучков заряженных частиц Советский патент 1989 года по МПК H01J49/48 

ffi:t

151

Изобретение относится к энергоугловому анализу пучков заряженных частиц и может быть использовано для построения светосильных быстродействующих спектрографов,

Изобретение решает задачу существенного увеличения экспрессности энергоуглового анализа с помощью системы из электростатических сферичес- кого и цилиндрического зеркал.

Целью изобретения является повышение экспрессности анализа и расширение функциональных возможностей путем спрямления линии фокусов в на- правлении оси цилиндрических электродов и регистрации распределения заряженных частиц в режиме спектрографа как по энергии, так и по полярному углу выпета,

На фиго1-3 изображено предлагаемо устройство с различными типами фокусировки и расположением детектора.

Предлагаемый анализатор состоит и источника 1 заряженных частиц близ- кого к то чечному, расположенного на поверхности исследуемого образца 2, лежащей на оси симметрии, электрического сферического зеркала, состоящего из двух центрированных на оси симметрии электродов сферической фор мы: BHyTpeiniero 3 радиусом Rg|, и наружного 4 радиусом R, причем внутренний сферический электрод снабжен щелями для ввода и вывода пучка, которые покрыты высокопрозрачной металлической сеткой в виде сферических сегментов, цилиндрического зеркала, состоящего из среднего цилиндрического электрода 5 радиусом г , на- ходящегося под потенциалом Земли и снабженного апертурными щелями кольцевой формы, затянутыми высокопрозрачной металлической сеткой, наружного цилиндрического электрода 6 ра- диусом Г| , соосно электроду 5 и находящегося под потенциалом 1) , внутреннего цилиндрического электрода 7 радиусом Tj, соосного электродам 5

и 6 и находящегося под потенциалом и.I апертурных щелей 8 кольцевой формы, координатно-чувствительного детектора 9, имеющего приемную цилиндрическую поверхность радиусом Tj. , соосную электроду 3„

Анализатор работает следующим образом.

Пучок заряженных частиц, выходящий из источника 1 с раскрытием на

О

5 0

5 0 5 0 З

0

5

угол 180 R плоскости, перпендикулярной оси симметрии, и с угловым раскрытием 90 +&oi. в аксиальной плоскости, поступает в сферическое зеркало, В результате отражения от поля зеркала в области внутреннего сферического электрода 3 формируется кольцевое изображение А, которое является электронно-оптическим источником для цилиндрического зеркала. Параметры сферического зеркала удовлетворяют соотношениям, обеспечивающим угловую фокусировку второго порядка пучка заряженных час-- тиц в ахроматическом режиме (продольная линейная дисперсия по энергии равна нулю), При прохождении цилиндрического анализатора пучок испыты- лает п раз внешнее отражение от электростатического поля зеркала между электродами 5 и 6 и m раз внутреннее отражение от поля между электродами 6 и 7,

Для одновременной регистрации интервала энергий необходимо совместить поверхность детектора с поверхностью фокусов, образованной вращением вокруг оси симметрии линии фокусов. Для решения этой задачи необходимо выбрать систему зеркал, в которой можно спрямить линию фокусов, чтобы приблизить ее к контуру детектора, имеющего либо цилиндрическую поверхность, либо плоскую. Поэтому выбор параметров предлагаемого уст-- ройства осуществляется на основе следующих условий.

Условие угловой фокусировки первого порядка

9ь

9 об °

где L - осевой пролет частиц;

с6 - угол расходимости пучка в меридиональной плоскости.

Равенство 90° угла наклона осевой траектории на входе, что обеспечивает ахроматический режим сфери- ческог о зеркала. Максимально допустимый разброс этого угла не должен превышать i 1°,

Равенство нулю тангенса угла наклона касательной к линии фокусов анализатора в точке пересечения ее с осевой траекторией пучка,

Записав эти условия с учетом уравнений движения частиц в сферических и цилиндрических полях, получим:

. (I)-2(naP+ma,P, )M(l+ctg e.)(nb+mb ,) +

+4ctg ft: n(h+ap ) +ni(b-a,P;)| ctgx, +

-(nap+ma,P, )+2ctg o.n(b+aP )+ Sinloi - l}. 1

+m(b,a,p )+ctgc(l+ctgV)A (2)

(2)

Изобретение касается энергетического анализа пучков заряженных частиц и может быть использовано для построения светосильных быстродействующих спектрографов. Целью изобретения является повышение экспрессности анализа и расширение функциональных возможностей. Поставленная цель достигается путем спрямления линии фокусов в направлении оси цилиндрических электродов и регистрации распределения заряженных частиц в режиме спектрографа как по энергии, так и по полярному углу вылета. Анализатор содержит источник 1 заряженных частиц, исследуемый образец 2, электроды сферической формы: внутренний 3, наружный 4, средний цилиндрический электрод 5, находящийся под потенциалом Земли и снабженный апертурными щелями 8 кольцевой формы, внутренний цилиндрический электрод 7, соосно расположенный с электродами 5 и 6, координатно-чувствительный детектор 9. Изобретение обеспечивает повышение (увеличение) экспрессности энергоуглового анализа с помощью системы из электростатического сферического и электростатического цилиндрического зеркал. 1 з.п.ф-лы. 3 ил.

(H-2P9); (l+2P9);9 e dx; P

-P f y

a,9,+P, (,e, ); b, P,(l-2P,e,); 0,e Je dx; P, J-S., i La Ln ;

Uo +si.

2E (oi-x,)/cosx

(4)

где R g и 5 w радиусы внутреннего и наружь1ого электродов сферическог о зеркала;

о

i радиусы среднего.

наружного и внутреннего цилиндрических электродов;

X - угловая координата точки входа осевой траектории в сферическое зеркало;

oL - угол наклона осевой траектории на выходе из сферического зеркала;

q и Е - заряд и кинетическая энергия анализируемых частиц;,

Ид - ОТКЛОНЯЮЩИЙ потенциал сферического зеркала;

и, и Uj - потенциалы, подаваемые на наружный и внутренний электроды цилиндрического зеркала;

Д - выраженная в долях г суммарная радиальная удаленность кольцевого фокуса сферического зеркала и его изображения на выходе из анализатора от поверхности среднего цилиндрического электрода;

пит - соответственно число каскадов внешнего и внутреннего отражений в цилиндрическом зеркале.

Для улучшения разрешающей способности анализатора цилиндрическое зеркало с внутренним и внешним отражениями может быть многокаскадным, а для одновременной регистрации энергоуглового распределения заряженных частиц в качестве детектора используется позиционно-чувствительный детектор.

Параметры внешнего и внутреннего

отражения In - - sinoi и V gU,Го

E r . ,

Insinot. ;

qU,Та

. P.

-P f y

Je dx; P, J-S., i La Ln ;

(3)

0

5

о

5

0

5

0

5

VY

Р п1-::- In -г- sin л удовлетворя- V qUj . Г2

ют соотношениям (1) и (2), выражающим условия угловой фокусировки первого порядка и спрямления линии фокусов (, + А2). Таким образом, на выходе из анализатора пучки различной энергии фокусируются на цилиндрической поверхности детектора 9 с различной удаленностью от источника 1 (точки В и С), На фиг.1 сплошными линиями очерчен пучок заряженных частиц, имеющих кинетическую энергию Е, штриховой линией обозначена осевая траектория пучка с большей кинетической энергией . С помощью координатно-чувствительного детектора 9 в форме дилиндра или узкой полоски Сесли линия спрямлена вдоль оси симметрии г, 0) одновременно регистрируется широкий интервал энергетического распределения.

Разрешение по полярному углу осуществляется с помощью координатно- чувствительного детектора с цилиндрической поверхностью. На входе в анализатор сферическое зеркало отбирает пучок заряженных частиц, выходящих из источника I с угловым раскрытием 180 в поперечной плоскости (фиг,), внизу слева), В этом пучке дважды представлено полное распре- пеление по полярному углу выхода 9 от О до 90+ 1° , Траектории пуч- ка 9 const лежат в аксиальной .плоскости 0 const при прохождении всех каскадов отражения анализатора и при встрече с цилиндрической по-- верхностью координатно-чувствительного детектора 9. Таким образом, Z и 0, координаты попадания заряженной частицы н а поверхность детектора 9, характеризуют кинетическую энергию

частицы F. и полярный угол 6 , под которым произошла эмиссия ее с поверхности образца 2, В регистрируемом спектре представлены распределения частиц по двум измеряемым величинам - энергии Е и полярному углу вылета их из поперхности мише 1И 0 .

Для примера в таблице приведены данные расчета параметров трех схем фокусировки в режиме спектрографа согласно условиям (1)(4). Выбран вариант расположения кольцевого фо куса сферического зеркала на поверхности среднего цилиндрического элек,0 , 0

трода Л ; --0; oi- 39

45

S-

1,9119, Rg./r -1 ,8179; .

,

11Т ;:т::1

0,4117 0,6104 0,6794

0,2822 4,2464 2,8448 0,5234 5,5495 3,9239 0,7238.7,3312 5,3970

Параметр Л j принимает три значения: 0,75; 1,00; 1,25, В первом случае фокусировка пуч}:ов различной

(nb+mbj) (nap+ma.P« (nPe+mP.9i)

Л 4

2,n(b+ap5) -Hn(b,a,P)j+паР-Ипа,Р,

На фиг,1 представлена схема энерг анализатора из двух согласованных зеркал (), характеризующаяся следующими параметрами, рассчитанными в соответствии с (5): ,45 ; ,56702; Р,0,9; ,3109Го; ли- нейная дисперсия по энергии А 3,6149 Гд. Штриховыми линиями изображены осевые траектории пучков, отличающиеся по энергии 0% от энергии основного пучка. Здесь линия фокусов спрямлена вдоль поверхности среднего цилиндрического электрода, ее хорошо аппроксимирует полином четвертой степени ,04919o + -fO,006465 -0,00323 J . Качество спрямления хорошее, Координатно-чув ствительный детектор 9 в виде части кольца облегчает участок поверхности г, Гд const, регистрируемые пучки различной энергии фокусируются на внутренней поверхности детектора

На фиг.З показана схема энергоанализатора, состоящего из пяти каскадов отражения: . Ее парамет

пнергии ос тцествляется вдоль наруж ной цилиндрической поверхности коор- динатно-чунствительного детектора 9 (фиг). Во втором случае линия фокусов спрямлена вдоль оси симметрии и координатный детектор может быть плоским, В третьем случае фокусировка пучка осуществляется за

осью на внутренней цил п дpичecкoй по верхности детектора 9, А в таблице коэффициент линейной дисперсии по энергии, выраженный в единицах г, Можно упростить схему анализатора, если отказаться от размещения сферического зеркала на входе анализирующей системы. В этих условиях мы сохраним режим спектрографа для энергоанализа, - однако возможности

углового анализа существенно ухудша- Ь5тся, Соотношения (1)(4) также упрощаются: отпадает формула (4), равно нулю второе слагаемое в формуле (2), так как нет сферического зеркала Исключив из (1) и (2) ctgtx:,, придем к следу )щему выражению для условия спрямления линии фокусов в системе из цилиндрических зеркал с внешним и внутренним отражением пучка:

(5)

ры следующие: Л 1;Ы 31, ,4: P,0,7790j ,402; ,190 Гд . Характерная особенность схемы - линия фокусов спрямлена вдоль оси симметрии, что позволяет использовать плоский координатно-чувствительный детектор. Угол раскрытия пучка в азимутальной плоскости . Штриховой линией на фиг.З обозначена осевая траектория пучка с энергией, на 10% превышающей энергию основного пучка. В схемах на фиг.2 и 3 элек тронно-оптическим источником является кольцевая щель S, расположенная на поверхности среднего цилиндрического электрода 5. Эмиттером является плос кий кружок, помещенный в окрестности оси симметрии (фиг,2,3), или тонкая полоска, вытянутая вдоль оси симметрии,

Формула изобретения

1. Электростатический анализатор пучков заряженных частиц, содержаCpiJS.Z