Способ анализа пучка заряженных частиц по энергиям и устройство для его осуществления (циклоидальный анализатор) Советский патент 1992 года по МПК H01J49/48 

Изобретение относится к физической электронике и может быть использовано для формирования и анализа пучков электронов малых энергий при исследовании по- верхности вещества и процессов электронно-атомных столкновений.

В электронной спектроскопии известно несколько способов анализа энергий заряженных частиц, движущихся в продольном магнитном поле, использующих дисперги- рующие свойства как магнитного, так и электрического полей. Однородное магнитное поле используют в анализаторах с тор- мозящим полем, Известны также анализаторы с неоднородным магнитным полем, убывающим или возрастающим в области торможения, что делает возможным анализ электронов не только по продольной, но и по полной составляющей скорости электронов.

Первые обладают тем недостатком, что для определения энергетического спектра необходимо дифференцировать интегральную характеристику - кривую задержки, вторые имеют сложную систему формирова- ния магнитного поля, на которую к тому же накладываются ограничения на скорость изменения магнитного поля.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, при котором движущийся вдоль силовых линий однородного магнитного поля пучок частиц вводят в поперечное электрическое поле плоского конденсатора, а две диафрагмы, перпендикулярные магнитному полю, задают попе- речные размеры пучка на входе и выходе из области дрейфа.

В области дрейфа вследствие совместного действия скрещенных магнитного и электрического полей, частицы дрейфуют вдоль эквипотенциальных поверхностей поля плоского конденсатора в направлении, перпендикулярном как магнитному, так и электрическому полям. Выходная диафрагма анализатора, отверстие в которой сме- щено относительно входного, выделяет частицы с определенной составляющей продольной скорости,

Недостатком такого способа анализа энергией частиц является зависимость ве- личины смещения частицы на выходе анализатора от координаты влета в область дрейфа, что вызвано действием краевого поля плоского конденсатора. Например, частицы с отрицательным зарядом, влетаю- щие в область дрейфа ближе к положительной пластине конденсатора, вследствие действия краевого поля конденсатора доускоряются, в результате чего на выходе из анализатора продрейфуют на

меньшее расстояние, чем частицы, вошедшие в область дрейфа у отрицательной пластины, Это приводит к ухудшению разрешения, а также уменьшает коэффициент пропускания анализатора.

Цель изобретения - одновременное улучшение разрешения по энергиям и повышение пропускания при анализе заряженных частиц малых энергий ( десятые доли электронвольта).

Для достижения указанной цели пучок заряженные частиц вводится в неоднородное поперечное электрическое поле, эквипотенциальные поверхности которого являются цилиндрическими поверхностями, с образующими, параллельными силовым линиями магнитного поля. Совместное действие скрещенных электрического Е и магнитного В полей приводит к циклоидальному движению в направлении, перпендикулярном как электрическому ттс и магнитному полям. Скорость дрейфа VD в этом направлении равна

в2

(1)

где Е - составляющая электрического поля, перпендикулярная магнитному полю. Из (1) следует, что дрейф происходит вдоль эквипотенциальных поверхностей поперечного электрического поля. В области дрейфа частица пребывает время t, равное

k

VI

-г- -.,.

I.

{-(Х/„+ф(х,у))}

V7

где L - длина анализатора;

е - заряд частицы;

т - масса частицы;

VM - скорость продольного движения частицы;

VM - энергия продольного движения частицы;

ф(х,у) - потенциал электрического поля в точке влета с координатами (х,у),

Длина дуги дрейфового движения, которую опишет ведущий центр за время t, равна

D(xy)/ I VD(x,y)l dt

(3)

Ј/I Ex(x,y)| dt,

Если выходное отверстие смещено относительно входного на величину D, на выход пропускаются только те частицы, скорость которых удовлетворяет формуле (3). Таким образом, осуществляется отбор по энергии.

Согласно формуле (2) время пребывания в области дрейфа зависит от координаты влета. Из (3) видно, что величина дрейфа зависит также от электрического поля. Задача состоит в выборе такой конфигурации поля, которая бы позволила скомпенсировать зависимость D(x,y) от времени t, т,е пучок частиц необходимо вводить в точке слабой зависимости D(x,y) от координаты влета (х,у). Такими точками являются точки экстремумов, для которых выполняются условия

Вх ду

0.

Выполнение этих условий достижимо в том случае, если знак разности потенциалов между точкой ввода в электрическое поле и центром кривизны эквипотенциальной поверхности, проходя щей через эту точку, совпадает со знаком заряда анализируемых частиц. Другими словами, частицы, находящиеся в области дрейфа меньшее время, должны вводиться в анализатор в точке с большей напряженностью электрического поля, или, что то же самое, с большей скоростью дрейфового движения В этом случае изображение входной щели на выходе анализатора будет испытывать наименьшие искажения.

Конкретная реализация предлагаемого устройства связана с использованием в качестве источника неоднородного электриче- ского поля двух коаксиальных цилиндрических электродов и применением его для анализа энергий электронов.

На фиг.1 показана схема действующих в устройстве скрещенных полей и предлагаемый анализатор: на фиг 2 - поперечные сечения трохоидального и гипоциклоидаль- ного анализатора, а также поперечные сечения пучка на выходе анализаторов для указанных энергией электронов; на фиг.З - расчетные (сплошная кривая) и экспериментальные (точки) энергетические распределе- ния электронов на выходе из трохоидального и гипоциклоидал ЁТ дТо электронного монохроматоров.

Анализатор содержит внутренний 1 и внешний 2 цилиндры конденсатора, входную 3 и выходную А диафрагмы,

Ег радиальная составляющая электрического поля, В - магнитная индукция одно

родного магнитного поля, в которое помещен весь анализатор.

Анализатор работает следующим образом.

5Электронный пучок направляется вдоль

магнитного поля во входное отверстие анализатора. За входной диафрагмой 3 электроны входят в область поперечного электрического поля, создаваемого между

10 внутренним 1 и внешним 2 цилиндрами. Совместное действие скрещенных электрического Е и магнитного В полей приводит к циклоидальному движению в направлении, перпендикулярном как электрическому, так

15 и магнитному полям. Скорость дрейфа в

этом направлении равна VD -к-, а величиь

на смещения у выходной диафрагмы 4 зависит от величины продольной скорости 20 электрона vn и равна

0

ErL В vn

(5)

где D - смещение электрона на выходе анализатора;

L - длина анализатора;

Е - электрическое поле;

В - магнитная индукция;

vn - скорость продольного движения электронов.

Если выходное отверстие в диафрагме 4 смещено относительно входного на величину D, на выход пропускаются только те электроны, скорость которых удовлетворяет формуле (5). Таким образом, осуществляется отбор по энергии.

Пусть радиусы внутреннего и внешнего цилиндров равны п и Г2 соответственно (фиг.2); г - радиус - зектор точки, в которой ° электрон входит в пространство дрейфа. Распределение потенциала Ф(г) и электрическое поле Ег между цилиндрами зависит от г следующим образом:

In-:Го

(6)

ЕгV2-V1

-S

(7)

где Vi и Va - потенциалы внутреннего и внешнего цилиндров соответственно;

го - радиус-вектор центра входного отверстия анализатора.

Так как

(Vii+«)(r)}1/2,(8)

где

| 1,76-10

m

,11 Кл кг

из (5) получим угол (р, на который продрейфуют электроны на выходе анализатора

,„ - D - L р-т-в

r(-2j/(Vn+0(r))l 1%)

Угол дрейфа не будет зависеть от г при выполнении условия d ip/dr 0, откуда получаем

V2-V1 V|| In ( Г2/П)

дУ

илип/Г2 е VjT

где AV V2-Vi,

Vn - энергия пропускания анализатора, выражение для которой можно получить из формул (5)-(8)

VIP

1 Г V2-V/1 I a L2 Lln(r2/nlJ r4-BrV

(12)

Исходя из смысла входящих в формулу (9) величин, получаем., что для выполнения этого соотношения необходимо V2-Vi О, т.е. потенциал внутреннего цилиндра должен поддерживаться положительным по отношению к внешнему.

Вследствие того, что скорость электронов vi внутри области дрейфа зависит от координаты влета согласно формуле (8), электроны входящие в анализатор у внутреннего цилиндра, будут иметь большую скорость, чем у внешнего. Однако электрическое поле между цилиндрами неоднородно, поэтому скорость дрейфа у внутреннего цилиндра также будет больше, отношение E/(r -vn), определяющее угол р на выходе из анализатора, будет сохраняться приблизительно постоянным при выполнении условия (10), а форма пучка на выходе анализатора должна мало отличаться от входного. При этом электроны в пространстве дрейфа описывают траектории, проекции которых на плоскость, перпендикулярную магнитному полю, имеют вид гипоциклоиды, т.е. кривой, которую описывает точка круга, катящегося без проскальзывания по внутренней стороне окружности, радиус которой совпадает с

радиус-вектором точки влета электрона в пространство дрейфа.

На фиг.2 показаны рассчитанные профили электронного пучка на выходе анализаторов при разности потенциалов /2-Vi, удовлетворяющей формуле (10). Видно, чго в случае гипоциклоидального анализатора профили электронного пучка на выходе анализатора, а отличие от трохоидального анализатора, не перекрываются выходной щелью. Это означает, что рассмотренная конфигурация обладает более высоким разрешением, чем трохоидальный анализатор. Для электронов, энергия которых удовлетворяет(10)(вданном случае 0,215 эВ), отклонение выходного профиля от цилиндрического минимально, что делает возможным увеличение коэффициента пропускания более, чем в два раза для одинаковых входного

и выходного отверстий диаметром 0,4 мм(до 90%).

Длг сравнения характеристик трохои- дзльно ои гипоциклоидального монохрома- торов измерены энергетические

распределения электронов на их выходах и проведено сравнение с расчетными распределениями. В расчетах принималось, что во входную щель монохроматора диаметром 0,4 мм входит поток электронов с равномерным распределением по энергии Электрон считается вышедшим из мочохроматорэ, если координата вылета из монохроматора лежит внутри выходного отверстия анализатора. На фиг.З показано

распределение, полученное при параметрах, удовлетворяющих выражению (10) Как видим, экспериментальные распределения хорошо совпадают с расчетными, причем уменьшение ширины распределения AWi/2

более, чем в два раза (от 0,13 эВ до 0,05 эВ) получено при сохранении величины выходного тока. Расчет также показывает, что площади под кривыми (т.е. мера выходного тока) совпадают.

Для гипоциклоидального монохроматора длиной мм, радиусами цилиндров ,5 мм и ,5 мм, радиусах входного и выходного отверстий 0,2 мм, смещенных относительно друг друга на угол тг/2, при величине магнитной индукции 1бОГс(1,6 Тп) и разности потенциалов V2-Vi -0,44 В получена ширина энергетического распределения AWi/2 0,05 эВ против 0,13 эВ у

известного при том же выходном токе. Использование этой же конфигурации в качестве анализатора электронов позволило более чем в два раза увеличить пропускание анализатора (с 30% до 90-100%).

Формула изобретения 1. Способ анализа пучка заряженных частиц по энергиям, в котором движущийся вдоль однородного магнитного поля пучок вводят в поперечное электрическое поле, где произво- дят отбор частиц по продольной скорости, отличающийся тем, что с целью одновременного улучшения разрешения по энергиям и увеличения пропускания, в качестве поперечного электрического поля используют нео- днородное поле, эквипотенциальные поверхности которого являются цилиндрическими поверхностями, образующие которых параллельны вектору напряженности магнитного поля, а ввод заряженных частиц в элект- рическое поле осуществляется так, что знак разности потенциалов между точкой ввода и центром кривизны эквипотенциальной поверхности, проходящей через эту точку, совпадает со знаком заряда анализируемых частиц.

2 Устройство для анализа пучка заряженных частиц по энергиям (циклоидальный анализатор), содержащее помещенные в однородное магнитное поле входную и выходную диафрагмы, плоскости которых перпендикулярны магнитному полю, установленные между диафрагмами электроды для создания поперечного электрического поля, отличающееся тем, что, с целью однородного улучшения разрешения по энергиям и увеличения пропускания, электроды для создания поперечного электрического поля выполнены в виде пары коаксиальных цилиндров, ось которых параллельна магнитному полю, а центры входного и выходного отверстий в диафрагмах расположены на одинаковых расстояниях г (м) от оси, причем , где п и гг (м), радиусы внутреннего и внешнего цилиндров соответственно.

Изобретение относится к физической электронике и может быть применено для формирования и анализа пучков заряженных частиц малых энергий. Движущийся вдоль однородного магнитного поля пучок вводят в поперечно-неоднородное электрическое поле, эквипотенциальные поверхности которого являются коаксиальными цилиндрическими. Отбор частиц по энергиям производится с помощью диафрагмы, Неоднородность поперечного поля увеличивает разрешающую способность и пропускание. Устройство содержит помещенные в однородное магнитное поле внутренний 1 и внешний 2 цилиндрические электроды, входную 3 и выходную 4 диафрагмы. Электроды 1 и 2 создают неоднородное поперечное электрическое поле, в котором частицы отклоняются, а величина отклонения зависит от их скорости. 2 с.п.ф-лы, 3 ил. Физ.1

123

У,0,28эВ ,20эВ ЧгО,12эВ

I

Ivг. 2

у,

, 1mm

j...i i/1 ill i i |

Щ I

1

О 0,25 0,5

Фиг. 3

,053B

0,2 0,4

лЦ 0,13эВ