Электростатический энергоанализатор заряженных частиц Советский патент 1990 года по МПК H01J49/44 H01J49/48 

Изобретение относится к спектрометрам элементарных частиц и может быть использовано при анализе и фильтрации заряженных частиц по энергии.

Целью изобретения является одновременное увеличение точности и чувствительности энергоанализа путем увеличения относительной и удельной дисперсий

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого энергоанализатора с ходом траекторий пучка заряженных частиц в плоскости дисперсии (XZ) и в вертикальной плоскости (YZ); на фиг.2 - электроды, поперечное сечение плоскостью XY,

Энергоанализатор состоит из источника 1 заряженных частртц, электродов 2-4, формирующих электростатическое поле, системы 5 электрического питания к ним и

приемника 6 заряженных частиц. Электроды 2 и 3 выполнены плоскими, электрод 4 имеет форму полого цилиндра, усеченного плоскостью вдоль оси. Ось электрода 4 параллельна плоскостям электродов 2 и 3, На фиг.1 показаны такж:е траектории 7 пучка заряженных частиц, проходящих через знергоанализатор.

Энергоанализатор работает следующим образом.

Из источника 1, ось которого расположена под углом в к границе поля, выходит пучок заряженных частиц, который через щель в электроде 2 попадает в замедляющее электростатическое поле, образованное в пространстве между плоскими электродами 2 и 3 за счет подачи на них от системы 5 питания потенциалов Vi и V2.

СП

о

VI

о о

VJ

Пройдя этот участок, пучок заряженных частиц через щель в электроде 3 попадает в замедляющее поле, образованное между плоским электродом 3 и цилиндрическим электродом 4, на который подается от сие- 5 темы 5 питания потенциал Уз.

В результате тормозящего действия поля пучок заряженных частиц меняет направление движения и далее летит зеркально-симметрично относительно средней 10 плоскости, проходящей через точку поворота траектории. В указанном электростатическом поле происходит разделение пучка по энергии и одновременно пространственная фокусировка по углу так, что при заданных 15 величинах потенциалов на электродах частицы одинаковой энергии попадают в приемник 6, расположенный симметрично источнику 1 относительно средней плоскости анализатора. Выполнение двух электро- 20 дов в виде плоскопараллельных пластин, а третьего - в виде части цилиндра, обращенного к ним своей вогнутостью, позволяет получить два участка с различными электростатическими полями; на первом по ходу 25 пучка участке поле однородно, на втором имеет вид

EX(V3-V2)

+ф -()

EY (V3-V2) X . Y

(1)

где (2r-p);

- Гч

f+arctg(fJ:);

r - радиус электрода цилиндрической формы;

р - максимальное расстояние п о нормали от второго плоского электрода до треть- егЬ электрода.

Тормозящее поле (1) обеспечивает зеркальный режим работы анализатора с про- странственной фокусировкой по углу раствора пучка при одновременной фокусировке второго порядка в плоскости дисперсии. Первый по ходу пучка участок между

5

10 15 20 25

30

35

40

5

Q

5

плоскими электродами с однородным полем заряженные частицы преодолевают на пролет, что обеспечивает иной знак угловых аберраций по сравнению с зеркальнь4м ходом траектории на втором участке между плоским электродом и электродом цилиндрической формы, тем самым достигается коррекция угловых аберраций третьего порядка.

Конкретные геометрические и электрические параметры, обеспечивающие достижение высокой относительной и удельной дисперсий энергоанализатора, получают расчетным путем. При относительном расстоянии между плоскими электродами, меняющемся в пределах 0,12 - 1 55 и

а

начальном угле входа центральной траектории пучка в пределах 54° 6k 65° расстояние между источником и приемником мало меняется и равно L (4,8 - 4,9) -а, При этом . расстояние по нормали от второго плоского электрода до электрода цилиндрической формы радиуса г может меняться в пределах р (0,6-1,6)гдля каждого d и ft .

Тормозящая пучок заряженных частиц разность потенциалов между плоскими электродами не зависит от р и лежит в пределах 0.35 0,66, в то время как

разность потенциалов между вторым плоским электродом и электродом цилиндрической формы зависит от геометрических параметров анализатора а и b и разности потенциалов на первом участке.следующим

образом; ф 0,41Ь (где Ф-ускоряющий потенциал).

Выход за указанные величины геометрических и электрических параметров приводит к следующему . При - 1,55, что

соответствует 0 65°, для осуществления фокусировки пучка источник и приемяик должнь располагаться в поле анализатора, так как h О, что практического интереса не представляет, так как приводит к искажению

электростатического поля. При - 0,12, что

3

соответствует в 54°, не существует режимов, при которых осуществлялась бы фокусировка третьего порядка, в частности при d О (двухэлектродный энергоанализатор) имеем при ,6°

0,431Ь; С2 0: Сз -5,7 а.

Несоблюдение расстояния между источником и приемником, т.е. при L ,8а или L 4,9а, при указанных d приводит к

непопаданию пучка в анализатор, а именно в первую по ходу пучка щель в плоском электроде.

При расстоянии между вторым плоским и цилиндрическим электродами р 0,6 г пучок заряженных частиц еще до своего поворота попадает на цилиндрический электрод (величина (Хмакс - d). При ,6 г ширина плоских электродов (их протяженность в направлении оси Y) становится меньше, чем максимальное расстояние между ними, равное dMaKc 1,5 г, а это недопустимо, так как сильно ухудшает однородность поля на первом участке.

Выход за величины разностей потенциалов между электродами на первом и втором участках, имеющих между собой строго определенную связь, не позволяет провести пучок от источника до приемника. При

-ф- 0,35 и 0,66 лучок заря

женных частиц на первом участке отклонится меньше или больше, чем это необходимо для попадания в щель во втором плоском электроде, при

.V3-V2

----- меньше, или больше, чем

ф-(у2 - Vl)

0,41 b, пучок заряженных частиц на втором участке изменит направление движения раньше или позже и не попадает в выходную щель анализатора.

При заданной связи между указанными геометрическими и электрическими параметрами, которая дается табл.1 и 2, относительная дисперсия DO меняется в пределах 1,5 - 2,7, что в 1,7 - 3,2 раза больше, чем у известного устройства, в то же время удельная дисперсия, являющаяся мерой разрешающей способности, предлагаемого меняется в пределах 0,28 - 0,11, что в 5,4 - 2,1 раза больше, чем у известного.

Расчет электронно-оптических параметров трехэлектродного энергоанализатора проведен на ЭВМ путем решения системы дифференциальных уравнений для проекции траектории пучка заряженных- частиц на горизонтальную XOZ (плоскость дисперсии) и вертикальную YOZ плоскости, причем связь параметров.на входе во вторую область с начальными условиями на входе в первую область следующая:

tg Vtg

VTcosyZi sin 20COS у

-Vlg

, V ()где.ри V - углы наклона главной траектории к продольной оси на входе в первую и вто

10

15

20

рую области поля в плоскости дисперсии XOZ;

2 у- угол раствора пучка в вертикальной плоскости XY (фиг. Т);

d и q - расстояние между плоскопараллельными электродами и разность потенциалов между ними, отнесенная к начальному ускоряющему потенциалу;

Zj - расстояние вдоль продольной оси между входом и выходом на первом участке центральной траектории пучка.

В плоскости дисперсии дифференциальное уравнение один раз интегрируется, а расстояние между источником и приемником записывается в виде определенного ин- теграла. Расстояние по нормали от источника (приемника) до входа в поле h (первый свободный параметр) определяется из условия фокусировки по углу первого порядка в плоскости дисперсии

д L,g 0. Три свободных параметра

д V3 - V2

е, q и t выбираются из условия

25 обеспечения фокусировки второго и третьего порядков в плоскости дисперсии при одновременной фокусировке в вертикальной плоскости. Пятый свободный параметр d позволяет при соблюдении указанных условий варьировать угол ввода пучка в анализатор, влияя тем самым на относительную и удельную дисперсии.

В табл.1 сведены результаты расчетов основных геометрических и электрических параметров предлагаемого трехэлектродного энергоанализатора, обеспечивающие фокусировку пучка по углу до третьего порядка включительно (Ci С2 Сз 0) в плоскости дисперсии и одновременно вертикальную фокусировку. Все геометриче- ские параметры в единицах э VP (2г - р). электрические в единицах

. jt ./р - 2ч

D - т- + arctg ( ), величины которых в

л.Э

широких пределах изменения параметра цилиндрического электрода р/г даны в табл.2.

В табл.1 и 2 представлены электрические параметры: электрические параметры: V2 - Vi t V3 - V2

30

35

40

45

50

q

т

t -

гео5

Ф 1 - q ф

метрические d - расстояние .между плоскими электродами: h - расстояние от источника (приемника) до края поля: Хмакс - максимальное удаление центральной траектории пучка от оси анализатора (координата точки поворота); L - расстояние между источником и приемником; D - линейная дисперсия анализатора по энергии; C/i - коэффициент угловой аберрации четвертого порядка; Do -j- - относительная дисперсия

по энергии; 6 - -удельная дисперсия

. по энергии, где ±а - угол раствора пучка в . плоскости дисперсии,

Формулаизобретения Электростатический энергоанализатор заряженных частид, содержащий три элект- рода, два из которых снабжены отверстиями для прохода частиц, а третий выполнен вогнутой цилиндрической поверхностью обращенной к двум другим электродам, си- стему электрического питания, а также расположенные симметрично относительно средней плоскости энергоанализатора источник и приемник заряженных частиц, о т- личающийся тем. что, с целью одновременного увеличения точности и чувствительности энергоанализа путем увеличения относительной и удельной дисперсий, два электрода выполнены плоскими, третий

электрод выполнен в виде полого цилиндра, усеченного плоскостью, параллельной плоским электродам, .электроды установлены по одну сторону от источника и приемника заряженных частиц, при этом третий электрод установлен с наружной стороны от плоскопараллельнь х электродов по отношению к источнику и приемнику заряженных частиц, причем расстояние d (м) между плоскопараллельными электродам1Г находится в пределах 0,12 а d 1,55 а, расстояние L (м) между источником и приемником заряженных частиц находится в пределах 4,8 а L 4,9, а плоскопараллельные электроды образуют с векторами скоростей частиц на входе энергоанализатора угол Q (рад), находящийся в пределах 0,94 в 1,14, максимальное расстояние от вогнутой цилиндрической поверхности третьего электрода до ближайшего к нему плоского электрода по нормали к нему р (м) лежит в пределах 0,6г р 1,бг, где г - радиус цилиндрической гтоцерхнрсти третьего электрода, м;а VP (2г - р) , м.

со j

s

с; ID ГО

CM

га

r s

с; Ю

со

h

Изобретение относится к спектрометрам заряженных частиц, в частности к дисперсионным электростатическим анализаторам по энергии, и может использоваться в эмиссионной электронике, в электронной спектроскопии для химического анализа, в растровой электронной микроскопии, при исследовании поверхности твердого тела методами вторичноионной масс-спектрометрии, при исследовании в области физики атомных столкновений и т.д. Целью изобретения является одновременное увеличение точности и чувствительности энергоанализа. Сущностью ия является выполнение двух электродов параллельными и плоскими, а третьего в виде полого полуцилиндра, ось которого параллельна плоскостям двух других электродов. При выполнении указанных в описании геометрических соотношений достигается увеличение относительной и удельной дисперсией, что, в свою очередь, увеличивает разрешающую способность и светосилу. 2 ил.

Фиг.1