Электростатический энергоанализатор заряженных частиц зеркального типа Советский патент 1992 года по МПК H01J49/44 H01J49/48 

Фиг

Изобретение относится к приборам для анализа заряженных частиц по энергии и углу и может применяться для исследования плазмы, поверхности вещества, процессов электронных и атомных столкновений и др.

Цель изобретения - повышение чувствительности энергоанализатора при сохранении разрешающей способности.

На фиг.1 и 2 схематически изображено поперечное и продольное сечение одного из вариантов энергоанализатора зеркального типа, на фиг.З и А - выходные щели источника и детектора.

Анализатор выполнен в виде двух электродов внешнего 1 и внутреннего 2, имеющих форму, например, частей лемнискатических цилиндров с общей узловой линией. Во внутреннем электроде 2 (фиг.2) имеются входное 3 и выходное 4 отверстия, выходная щель 5 источника и щель 6 детектора расположены на плоскостях, параллельных образующим электродов. На фиг.2 показано также d - расстояние между щелями источника 5 и детектора 6.

На фиг.З и 4 изображены два варианта выходных щелей источника 5 и щелей детектора 6. На фиг.З указаны радиусы кривизны внешних краев щели 5 источника pi и щели 6 детектора рг. а также радиусы кривизны внутренних краев щели источника м и щели детектора rj. Показаны также центры кривизны 01,02,0з и Од соответственно. На фиг.З изображены выходная щель источника и щель детектора с одинаковыми радиусами кривизны их краев. На фиг.4 выходная щель источника искривления сильнее, чем на фиг.З, а щель детектора имеет прямоугольную форму.

Поясним работу анализатора на примере изображенного на фиг.1 и 2 устройства. Вырезаемый выходной щелью источника 5 пучок заряженных частиц проходит через входное отверстие 3 во внутреннем электроде 2. попадает в попе знэл гзвтора. где отражается от внешнего электрода 1 и дис- пергирует по энергии. Частицы с выделенным значением энергии проходят через выходное отверстие 4 и фокусируются на щель детектора б, Таким образом осуществляется анализ по энергии.

Ширины выходной щели источника и щели детектора в плоскости дисперсии обычно устанавливаются одинаковыми, причем величина их определяется так, что- бы получить требуемое значение разрешающей способности R. исходя из известных для данного прибора значений дисперсии D и аберрационного расширения Z

R

D

О)

Si + 82 +2 где D - линейная дисперсия прибора;

Si - ширина щели источника;

$2 ширина щели детектора; Z - аберрационное расширение изображения.

Аберрационное расширение изображения возрастает при увеличении расстояния от плоскости дисперсии. Поэтому при постоянных Si и $2 разрешающая способность уменьшается.

Для того, чтобы разрешающая способность была постоянной, должен быть постоянным знаменатель в (1)

Si + $2+ 1 const.(2)

Величина D может быть найдена из аберрационного ряда (3). который имеет вид

(.У)-С ф2-СууЈ . (3)

здесь ось 2 направлена вдоль нижнего электрода анализатора перпендикулярно щелям детектора и источника, координата Z описывает положение произвольной траектории в плоскости изображения, а и у характеризуют углы наклона траектории относительно осевой на входе в поле анализатора, функция 6 определяется формой электродов и является постоянной вдоль щели. В выражении (З)учтены члены не выше второго порядка малости. Величина D представляет собой разность между максимальным и минимальным значениями Z. Из выражения (3) следует, что аберрационное расширение 2 есть функция расстояния х от плоскости дисперсии и возрастает с ростом х. Для того, чтобы выполнялось условие (2), Si и S2 также должны зависеть от х и уменьшаться с ростом х.

Можно показать, что максимальное значение 2. дается выражением

Јмакс . г

Ь 1 Сх Ф

(4)

а минимальное соответственно

-НИН

1-Д-Схф2-Су

Ixl Умакс

(5)

d Ч r d где Л представляет собой сумму аберрационных членов, не зависящих от х и создающих постоянное аберрационное расширение вдоль всей длины изображения. Выражение (4) позволяет определить суммарную кривизну внешних краев щелей источника и детектора, в плоскости дисперсии она равна

р рг Lx

(6)

Граница внутренних краев щелей источника и детектора выбираются так. чтобы скомпенсировать увеличивающее аберрационное расширение изображения. Из (2) и (5) для суммарной кривизны внутренних краев в плоскости дисперсии имеем

L+.(). (7) П Г2

Величина коэффициентов СуиСх определяется формой электродов анализатора. Второй член в скобках в формуле (7) может быть больше или меньше единицы, вследствие чего выражение в скобках может быть как положительным, так и отрицательным. Таким образом, кривизна внутренних краев щелей детектора и источника также может быть разного знака. При положительном знаке каждая щель имеет форму серпа, края которого имеют различные радиусы кривизны, но центры кривизны лежат по одну сторону от щели. При отрицательном знаке каждая щель имеет форму чечевицы и центры кривизны краев лежат по разные Стороны от щели.

Соотношение радиусов кривизны внешних и внутренних краев щелей источника и детектора устанавливается пропорциональным - сЈ . так как при заданной суммарной кривизне и заданной разрешающей способности это соотношение обеспечивает максимальное пропускание прибора.

Заряженные частицы, траектории которых лежат в плоскости дисперсии, проходят максимальное расстояние вдоль оси прибора. Частицы, лежащие вне плоскости дисперсии, проходят меньше расстояние вдоль оси, причем чем дальше от плоскости дисперсии проходит траектория, тем это расстояние меньше. Для увеличения чувствительности прибора необходимо использовать длинные щели источника и детектора, при этом, чтобы компенсировать разницу в длине пролета частиц вдоль оси. выходная щель источника должна быть ис- ривлена так, чтобы с ростом расстояния от плоскости дисперсии уменьшилось расстояние от щели детектора. Однако, если ширина щели остается постоянной вдоль ее длины, разрешающая способность прибора уменьшается, так как аберрации растут с увеличением расстояния от плоскости дисперсии. Для сохранения разрешающей спо-; собности необходимо уменьшить ширину щелей так, чтобы выполнялось равенство

(2).

Устройство опробовано на диагности- ческрм модуле установки молекулярно-пуч- ковой эпитаксии. Анализатор представлял собой зеркало, образованное двумя электродами в виде лемнискатических цилиндров. В исходном ьарианте выходная щель

источника была круглой, диаметром 0.4 мм, а щель детектора прямоугольной (0,8 х 1,6 мм ), что позволило получить высокое относительное энергетическое разрешение ЛЕ,

Д| 0.3%.

В ходе эксперимента произведена замена выходной щели источника. В новом варианте она образована пересечением

двух окружностей, радиус внешнего края щели 0,8 мм, радиус внутреннего края 2,0 мм, ширина щели в плоскости дисперсии 0.4 мм. Вогнутость щели источника обращена к детектору. Щель детектора оставалась меизменной.

Эксперимент проводился на фотоэлектронах, испускаемых мишенью из серебра (линия 3ds/2) под действием рентгеновского излучения А1Ка (1486,5 эВ). Условия эксперимента в обоих случаях - с круглой и серповидной выходной щелью источника - сохранялись одинаковыми. Форма линии и энергетическое разрешение, определенное по ширине линии на полувысоте практически совпадали, а интенсивность линии (а следовательно, чувствительность анализатора), соответствующая серповидной щели, оказалась выше примерно в б раз.

Таким образом, можно сделать вывод о

том. что предлагаемое устройство позволяет увеличить чувствительность анализатора в несколько раз при неизменном разрешении и габаритах.

Формулаизобретения

1. Электростатический энергоанализатор заряженных частиц зеркального типа, включающий не менее двух электродов с входным и выходным отверстиями в одном из них, имеющих плоскость симметрии, проходящую через центры отверстий, а также лежащие в параллельных плоскостях, и имеющих ту же плоскость симметрии, щель источника и щель детектооа, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности при сохранении разрешающей способности, щель источника выполнена суживающейся с увеличением расстояния от плоскости симметрии, а ее края имеют форму двух кривых, пересекающихся в двух наиболее удаленных от плоскости симметрии точках, причем более дальняя от щели детектора кривая обращена выпуклостью от щели детектора.

2. Энергоанализатор по п. 1 ,о т л и ч а ю- щийся тем, что щель детектора выполнена суживающейся по мере удаления от плоскости симметрии.

3. Энергоанализатор по пп.1 и 2,о т л и- чающийся тем, что ширина Si(m) щели источника и ширина S2(m) щели детектора в

каждом сечении плоскостью, параллельной плоскости симметрии, удовлетворяют соотношению

Si + S2-(D/R)-Z,

где О - линейная дисперсия энергоанализатора,м;

R - требуемая разрешающая способность (безразмерна):

Z-расчетное аберрационное уширение изображения, м.

4. Энертоанализатор по п.1.о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью упрощения устройства, контуры щели источника и щели детектора выполнены в форме дуг окружностей, причем радиусы нешних крае щели источника /я(м) и щели детектора рг.М удое летворяют соотношению

.Д+Ј-2Са радиусы внутренних краев п(м) и гг(м) соотношениюг

5

и

Ј+тИс -ёЈ).

II Ј

Г2 Pi

где d - расстояние между центрами щелей в плоскости симметрии (м);

Сх и Су - коэффициенты, характеризующие аберрации анализатора, пропорциональные (g)2 соответственно:

х - расстояние произвольной точки щели источника от плоскости симметрии;

Хмакс (м) - расстояние от крайней точки щели источника до плоскости симметрии;

Хмакс.- половина угла, под которым входное отверстие видно из центра щели источника: у - угол входа частиц в энергоаналиэа- 0 тор, лежащий в пределах (0 jWcl .

0

5

Фиг.1

Фм.З

Фйг Л