Анализатор энергий заряженных частиц Советский патент 1991 года по МПК H01J49/48 

Выбор величины (D в каждом конкретном случае применения должен определяться требованиями к конструкции монохрома- тора, к режимам его работы (выбранным, например, из таблицы) и условиями физического эксперимента, и предпочтительно должен быть в пределах 15-50°о

Единственное обязательное условие для Ц состоит в том, что этот угол должен быть достаточно большим, чтобы ни одна из возможных траекторий электронов не задевала верхний электУменьшается ленточного по- 1ока вследствие принципа подобия, действующего в электростатическом поле, формируемом в пространстве между электродами. Скалярный потенциал электростатического поля диспергирующего элемента описывается выражением

10

Ф A-arctg -

Л

(П

где А - постоянный коэффициент, зависящий от выбора системы Физических

Изобретение относится к электрон- -яой спектроскопии и масс-спектр ометИзобретение относится к физической электронике, в частности, электронной спектроскопии и масс-спектро- метрии, и может быть использовано для создания монохроматичных потоков заряженных частиц, направленных на объект, исследуемый методами вторичной спектроскопии, например на поверхность твердого тела или на объем, занятый атомарным либо молекулярным газом, а также для энергетического анализа в оже-спектрометрах. Целью изобретения является одновременное повышение разрешающей спории и может быть использовано в качестве анализатора или монохроматора в аналитической аппаратуре. Целью изобретения является одновременное повышение разрешающей способности и светимости, а также упрощение юстировки. Устройство представляет собой плоские электроды 1 и 2, электрически изолированные один от другого. Плоскости, в которых лежат электроды 1 и 2, образуют двугранный угол 15-90°. Электроны входят в пространство между электродами через щель 3 или 4 в электроде 1, при этом на них действует поле электрода 2, заставляющее электроны выйти через другую щель в электроде 1. При этом электродная система имеет свойство теле- скопичности в сочетании с высокой дисперсией, что позволяет отказаться от входной линзовой системы. Слабая зависимость параметров от угла между электродами позволяет упрос- 1 тить юстировку. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.э 1 табл. собности и светимости устройства, а также упрощение его юстировки. На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый анализатор, общий вид; на фиг. 2 - сечение его плоскостью ху, перпендикулярной линии смыкания ( и проходящей через середины диафрагм} х, у, z - декартова система координат с началом в точке 0; ось z совпадает с линией смыкания полезадающих электродов: 1 - нижний полезадающий электрод, 2 - верхний полезадяющий элект- Р°Д; (Ро У1 между электродами, вы- в диапазоне от 15°до Л 90°. 5 (Я О5 СП со ьэ оо

20

рода. Зквщютенциали поля представляют собой полуплоскости, смыкающиеся на оси z, причем координаты точек, принадлежащих каждой из эквипотен- циалей, удовлетворяют условиям

I

X

tgu const, z - произвольная.

род Для устранения искажения электро- величин и потенциала верхнего элект- статического поля анализатора вблизи краев полезадающих электродов 1 и 2, в каждом конкретном случае можно по-разному ограничивать их размеры в направлениях х, у, z. В простейшем случае конструктивного варианта это достигается при соблюдении условий | z j- г2 | s. Зх,; F Ј 0,1х j L х 2х„. С той же целью вблизи границ электродов 1 и 2 можно устанавливать дополнительные электроды. Входная диафпаг- ма 3 имеет ширину Н и длину F, выходная диафрагма 4 - ширину HЈ и длину F, Первичный ленточный поток 5 электронов направляется с помопрю злакт- рояной пушки во входную диафрагму под углом $}к оси х так, что все траектории электронов лежат в плоскостях, параллельных плоскости ху. Ширина ленточного потока равна длине желей F, а толвдна его Р; H.-sipS,. 35

5

Таким образом, геометрическое положение каждой эквипотенциали-полуплос- кости и значение ее потенциала Ф при выбранной системе физических величин однозначно определяется величиной дпуграннрго угла Cf, который эквипо- тенцяаль образует с плоскостью xz. 30 В частности, при(| 1 рад значение потенциала численно совпадает с коэффициентом А, а при Ср О (плоскость xz) потенциал Ф равен нулю, Поле имв- ет особенность на оси z, где сходятся все эквипотенциали. Поскольку по- тенциал (1) зависит от отношения координат у/х, т.е. является однородной функцией координат х и у нулевой кратности, то в поле действует особый закон подобия траекторий. Он заключается в том, что при смещении точки вы лета частицы вдоль оси х, при сохранении ее начальной кинетической энер - гии и направления движения траекто11л верхний электрод 2 подается отрицательный относительно нижнего элрктрода 1 потенциал. Первичный поток, влетающий во входную диафрагму 3,

Таким образом, геометрическое положение каждой эквипотенциали-полуплос- кости и значение ее потенциала Ф при выбранной системе физических величин однозначно определяется величиной дпуграннрго угла Cf, который эквипо- тенцяаль образует с плоскостью xz. 30 В частности, при(| 1 рад значение потенциала численно совпадает с коэффициентом А, а при Ср О (плоскость xz) потенциал Ф равен нулю, Поле имв- ет особенность на оси z, где сходятся все эквипотенциали. Поскольку по- тенциал (1) зависит от отношения координат у/х, т.е. является однородной функцией координат х и у нулевой кратности, то в поле действует особый закон подобия траекторий. Он заключается в том, что при смещении точки вы лета частицы вдоль оси х, при сохранении ее начальной кинетической энер - гии и направления движения траектоподвергается воздействию поля электрода. Траектория электронов изгибаются в поле так, как-это изображено на фиг. 2. При этом одновременно про- 45 РИИ частицы сохраняют свою геометри- исходят два процесса. Первичный поток ческую форму, растягиваясь или еокра- разделяется на монокинетичкые пучки, как это происходит в любом монохрома - торе. На фиг. 2 изображены три такич

щаясь пропорционально расстоянию от точки вылета до оси z. Как следствие этого, оказывается, что при пересе- 5д чении любой эквипотенциали поля (1). параллельным монокинетичным пучком последний испытывает телескопическое преобразование; пучок остается парчл- леяьным, но толщина его сечения экви- потенциалыо прямо пропорциональна расстоянию между осью z и точкой пересечения с этой эквипотенциалью. В частности, при возвращении пучка на нулевую эквипотенциаль толщина его Р измепучка, где 6-11 возможные траектории электронов, средний ленточный пучок образован электронами с первичной энергией LQ, его крайние траектории обозначены цифрами 8 и 9. Левый и правый пучки, ограниченные крайними траекториями 6, 7 и 10, 11, сформированы из электронов с первичной энергией + й&/2 и б Ј0- АЈ0/2 соответственно.

рода. Зквщютенциали поля представляют собой полуплоскости, смыкающиеся на оси z, причем координаты точек, принадлежащих каждой из эквипотен- циалей, удовлетворяют условиям

I

X

tgu const, z - произвольная.

величин и потенциала верхнего элект-

величин и потенциала верхнего элект-

Таким образом, геометрическое положение каждой эквипотенциали-полуплос- кости и значение ее потенциала Ф при выбранной системе физических величин однозначно определяется величиной дпуграннрго угла Cf, который эквипо- тенцяаль образует с плоскостью xz. В частности, при(| 1 рад значение потенциала численно совпадает с коэффициентом А, а при Ср О (плоскость xz) потенциал Ф равен нулю, Поле имв- ет особенность на оси z, где сходятся все эквипотенциали. Поскольку по- . тенциал (1) зависит от отношения координат у/х, т.е. является однородной функцией координат х и у нулевой кратности, то в поле действует особый закон подобия траекторий. Он заключается в том, что при смещении точки вылета частицы вдоль оси х, при сохранении ее начальной кинетической энер - гии и направления движения траекто

РИИ частицы сохраняют свою геометри- ческую форму, растягиваясь или еокра-

РИИ частицы сохраняют свою геометри- ческую форму, растягиваясь или еокра-

щаясь пропорционально расстоянию от точки вылета до оси z. Как следствие этого, оказывается, что при пересе- чении любой эквипотенциали поля (1). параллельным монокинетичным пучком последний испытывает телескопическое преобразование; пучок остается парчл- леяьным, но толщина его сечения экви- потенциалыо прямо пропорциональна расстоянию между осью z и точкой пересечения с этой эквипотенциалью. В частности, при возвращении пучка на нулевую эквипотенциаль толщина его Р изме

5 няется согласно соотношению

Р Р2 х , sin0( x2. sinG

где х,

ха

координаты точек влета

и вылета потока из области поля; Р4, РЈ толщина потока параллельно Летящих электронов при влете и вылете из области поля соответственно; 0,, Q - соответствующие углы влета |и вылета потока относительно нулевой эквипотенциали. P/sin Q - толщина сечения пучка нулевой эквипотенциаль Зависимость (2) отражена на фиг.2. Размеры входной и выходной диафрагм предлагаемого элемента монохроматора сяязаны между собой соотношением iH , /x4 XJ./X1.

С помощью ЭВМ был проанализирован вид траекторий электронов, движущихся в плоскости ху, диспергирующие, фокусирующие и телескопические свойства поля (1). В таблице приведены некоторые результаты расчета, иллюстрирующие возможности анализатора на основе поля (1). Использованы следующие обозначения, не указанные ранее на рисунках и в тексте:

-& еА

приведенная энергия электронов первичного потока или отношение средней энергии электрона в первичном потоке к потенциальной энергии, которую получает электрон при увеличении его полярной координаты на единицу (т.е. на 57,3°), здесь е - заряд электрона; 0 0j- (Ј- угол поворота траектории электрона после вылета через выходную диафрагму}

-tl г .

х ае

приведенная линейная дисперсия электростатичес- ... -кого зеркала (элемента) t

Ј 21 -S4nЈ - коэффициент телескоРЈ Хг81П0

личности;

с - J. коэффициент угловой xi i аберрации.

За характерную длину принята величина х

.

10

}

Как следурт из результатов расчета, выборочно представленных в таблице, на основе поля (1) можно сконструировать анализаторы и монохромато- ры, обладающие широким набором наперед заданных характеристик. Для конструирования первого каскада монохрома- тора хорошо подходит режим работы 1, параметры которого приведены в первой строке таблицы. В этом режиме относительно большие значения принимают одновременно три параметра:|DJ, |D|/xa, М. Благодаря высокой диспер15 сии D происходит эффективное разделение первичного пучка на монокинетичные составляющие. То, что |п|/хг«10, означает, что выделение одной составляющей из общего потока можно произ20 вести примерно в 10 раз эффективнее, чем в 127-градусном дефлекторе, где jDl /х ге JD - 1, поскольку ширину вы- ходной диафрагмы можно без ущерба для интенсивности сделать в 10 раз

25 меньше ширины входной диафрагмы. Наконец, коэффициент телескопичности М 4,5, и, следовательно, в первом режиме отпадает необходимость в согласующей линзе между каскадами мо-

3Q нохроматизации.

Если нельзя пренебречь угловой

расходимостью первичного пучка, лучше использовать режим 2, в котором осуществляется фокусировка первого порядка по углу 0 (С 0).

В случае, если требуется сильное сжатие пучка, предпочтителен режим 3, где М 27. Из таблицы видно, что при использовании предлагаемого анализатора можно подобрать различные режимы его работы, значительно 9тличающиеся коэффициентом телескопичности (режимы 2, 3, 4). Таким образом, можно исТюльзовать данный анализатор как телескопическое устройство, сужающее или расширяющее (при инвертированном движении заряженных частиц) ленточные потоки заряженных частиц.

Можно подобрать также режимы рабо35

40

45

5G

55

ты, значительно отличающиеся друг от друга величиной угла поворота (режимы 1, 2) „

В целом перечисленные возможности. обеспечивают большое число разноцеле- вых вариантов при конструировании аппаратуры для электронной спектроскопии и масс-спектрометрии.

Формула изобретения

Режим работы

в.

1264975-0,26

2 22109131О

31894112О

4375693О

EEZEH -Q T

1,60,121,22

1,40,050,22

0,50,360,35

4,41,8,3 9,1/ 27

0,972

288

жены на оси, перпендикулярной линии

пересечения плоскостей, в которых расположены электроды, две стороны каяадой диафрагмы параллельны вышеупомянутой линии пересечения плоскостей, причем размер диафрагм вдоль указанной оси прямо пропорционален расстоянию от центра соответствующей диафрагмы до линии пересечения плоскостей.

1,60,121,22

1,40,050,22

0,50,360,35

Фиг. I