ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И УГЛОВОГО АНАЛИЗА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Советский патент 1995 года по МПК H01J49/48 

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

Целью изобретения являются улучшение энергетического и углового разрешения, увеличение чувствительности и обеспечение пространственного разрешения. Цель достигается тем, что в электростатическом спектрометре для энергетического и углового анализа заряженных частиц, содержащем два соосных конических электрода, один из которых расположен внутри другого и имеет входную и выходную щели, перпендикулярные образующей, а также источник питании электродов, согласно изобретению в пространство, ограниченное внутренним электродом, помещены две группы коаксиальных фокусирующих электродов, не менее трех в каждой, попарно симметричных относительно плоскости, проходящей через центр входной щели и ее проекцию на ось спектрометра, и представляющих собой тела вращения, ось которых совпадает с осью спектрометра, минимальное расстояние между фокусирующими электродами наиболее удаленной от оси спектрометра пары, снабженной коническим электродом, с тем же, что и у электродов спектрометра углом раствора, симметризующим поле относительно упомянутой плоскости, не меньше ширины входной щели, минимальное расстояние между фокусирующими электродами ближайшей к оси спектрометра пары удовлетворяет соотношению
d₁≥ h cosβ K^-1/2 где β угол полураствора конических электродов;
h ширина входной щели спектрометра;
α₁- угловая апертура в плоскости траектории заряженной частицы при входе в щель спектрометра;
γ угловая апертура в плоскости траектории заряженной частицы при входе в спектрометр;
К коэффициент, задающий требуемое абсолютное энергетическое разрешение спектрометра, причем электроды каждой пары электрически соединены между собой и подсоединены к полюсам дополнительных источников питания, а электроды наиболее удаленной пары и симметризующий электрод электрически соединены с внутренним электродом спектрометра.

Сущность изобретения заключается в создании электрического поля определенной конфигурации в пространстве между источником заряженных частиц и входной щелью спектрометра с помощью введенных в спектрометр фокусирующих электродов.

С помощью такого поля производится фокусировка пучка частиц, обеспечивающая пространственное разрешение, преобразование угла расходимости пучка, позволяющее повысить угловое разрешение спектрометра, и замедление частиц, дающее возможность существенно улучшить абсолютное энергетическое разрешение. Кроме того, повышается чувствительность спектрометра.

Докажем существенность признаков.

Осевая бесконечного порядка симметрия анализатора, которую имеет конус, обусловливает требование такой же симметрии фокусирующего поля. Следовательно, фокусирующие электроды так же, как и электроды анализатора, должны быть телами вращения с общей осью осью анализатора. Нарушение этого признака приводит к противоречивым требованиям по питанию электродов для разных полярных углов, и при любом режиме питания в подавляющей части диапазона углов частицы заданной энергии через анализатор не проходят.

Необходимое в соответствии с целью изобретения изменение параметров пучка заряженных частиц на пути от источника до входной щели возможно только в том случае если на этом пути имеется распределение, потенциала. Поэтому фокусирующие линзы, подсоединенные к полюсам дополнительных источников питания, должны следовать одна за другой по мере удаления от оси спектрометра, т.е. с учетом сказанного выше о симметрии должны быть коаксиальными.

Фокусирующее поле должно быть также симметричным относительно плоскости, проходящей через центр входной щели и ее проекцию на ось спектрометра. В противном случае у заряженных частиц появляются составляющие скорости вдоль оси спектрометра, и частицы не попадают во входную щель. Сформировать поле с требуемой симметрией можно только двумя группами электродов, попарно симметричных относительно указанной плоскости и попарно соединенных электрически. Кроме того, расположенный между входной и выходной щелями фокусирующий электрод наиболее удаленной от оси спектрометра пары должен быть снабжен дополнительным электродом, симметризующим поле относительно указанной плоскости. Такая симметрия поля возможна только в том случае, если дополнительный электрод имеет коническую с углом раствора электродов спектрометра форму, которая получается в результате отражения внутреннего электрода спектрометра в указанной плоскости, и если дополнительный электрод электрически соединен с внутренним электродом спектрометра.

Число электродов в каждой группе должно быть не менее трех, так как только начиная с такого количества электродов, возможны режим фокусировки пучка без замедления частиц (с постоянным относительным энергетическим разрешением), при котором обеспечивается высокое пространственное разрешение, и изофокусный режим работы линз с замедлением частиц (с постоянной энергией пропускания анализатора и постоянным абсолютным энергетическим разрешением, при котором достигаются высокие абсолютное энергетическое, угловое и пространственное разрешение. При измерении энергетического спектра замедление частиц до фиксированной энергии с помощью двухэлектродной системы не позволяет сохранить постоянным расстояние между ее электродами и изображением, положение которого должно совпадать с входной щелью. В этом случае спектрометр можно настроить оптимально только в одной точке энергетического спектра, а в остальных все параметры спектрометра резко ухудшаются и цель не может быть достигнута.

Требование неизменности расстояния между линзой и изображением обуславливает требование отсутствия электрического поля за пределами линзы, т.е. приводит к необходимости электрического соединения наиболее удаленной от оси спектрометра пары фокусирующих электродов с внутренним электродом спектрометра и с симметризующим электродом.

Расстояние между электродами наиболее удаленной от оси спектрометра пары должно быть не меньше ширины входной щели. В противном случае часть пучка не проходит через фокусирующую систему, что ведет к потере чувствительности, а при попытке поддержать чувствительность на фиксированном уровне к ухудшению энергетического, углового и пространственного разрешения. Те же соображения определяют минимальное расстояние между фокусирующими электродами ближайшей к оси спектрометра пары. Формула, связывающая это расстояние с параметрами спектрометра и пучка, является прямым следствием соотношения Лангранжа-Гельмгольца. Это же соотношение может быть использовано для установления минимального расстояния между фокусирующими электродами остальных пар, но для этого необходимо выбрать один из возможных режимов работы спектрометра, задав определенные потенциалы на фокусирующей системе.

Таким образом, рассмотренные признаки являются существенными, а их совокупность, изложенная в формуле, позволяет добиться существенного улучшения чувствительности, углового, энергетического и пространственного разрешения по сравнению с прототипом.

Покажем, что совокупность существенных признаков является новой по сравнению с решениями, известными в науке и технике.

Известны спектрометры, содержащие фокусирующие осесимметричные линзы как одиночные, так и иммерсионные в пространстве между источником заряженных частиц и входной щелью. Однако такие линзы обладают совершенно другой симметрией поля относительно оси, проходящей через центры источника и входной щели. Такая симметрия позволяет трансформировать пучки частиц, движущихся только вдоль одного направления, и одновременный угловой и энергетический анализ не возможен.

Известны двумерные линзы, например система плоских поверхностей или плоских диафрагм, которые так же, как и предложенные в изобретении линзы, не действуют на частицы по одной из координат.

Используемые в изобретении линзы отличаются от упомянутых наличием осевой симметрии, благодаря которой координата, на которую не оказывается воздействие, является угловой (а не декартовой), и угловые распределения частиц не искажаются. В результате взаимодействия всех признаков изобретения появилась возможность создать спектрометр, обладающий новым свойством воздействовать на частицы до входа в анализирующее поле без нарушения их углового распределения, которое основано на единой симметрии анализирующих и фокусирующих электродов. Новое свойство позволяет существенно повысить чувствительность, энергетическое и угловое разрешения и обеспечить пространственное разрешение спектрометра.

Таким образом, предлагаемая совокупность является новой и обеспечивает достижение положительного эффекта.

На чертеже представлена схема конического спектрометра, предназначенного для исследования частиц, испускаемых образцом в верхнюю полусферу, т.е. в диапазоне полярных углов от 0 до 180^о, где 1 внешний конический электрод анализатора, 2 внутренний конический электрод анализатора, 3, 3а источники питания электродов анализатора, 4 выходная кольцевая щель анализатора (ширина h), 5 выходная кольцевая щель анализатора, 6 детекторный узел, 7 источник заряженных частиц (образец) 8 коаксиальные цилиндрические электроды, 9 симметризующий электрод, 10 источник питания фокусирующих электродов.

На чертеже также l расстояние между входной 4 и выходной 5 щелями (база); Н расстояние между электродами спектрометра; β- половинный угол раствора электродов спектрометрa; d₁ расстояние между фокусирующими электродами ближайшей к оси спектрометра пары; α₁ угловая апертура в плоскости траектории заряженной частицы при входе в спектрометр; γ угловая апертура в плоскости траектории заряженной частицы при входе в щель спектрометра.

Поясним работу предлагаемого спектрометра, снабженного одним из возможных вариантов фокусирующей системы, на примере изображенного на чертеже устройства. Дисковый пучок заряженных частиц, испускаемых образцом 7, ограничивается первым электродом 8 фокусирующей системы, находящимся, как правило, под тем же, что и образец потенциалом и играющим дополнительную роль коллимирующей щели (для уменьшения фона), затем преобразуется фокусирующей системой и проходит через входную щель 4, попадая в анализирующее поле спектрометра, где отражается этим полем и диспергируется по энергии. Частицы с заданным значением энергии, однозначно связанным с величиной разности потенциалов электродов 1 и 2 спектрометра, проходят через выходную щель 5 и попадают в детектор 6. Таким образом осуществляется анализ по энергии. Одновременно с энергетическим анализом анализ по полярному углу вылета частиц из образца возможен благодаря наличию осевой симметрии спектрометра: частицы, выходящие из образца в плоскости Z=const под разными полярными по отношению к образцу и азимутальными по отношению к оси спектрометра углами распространяются в одинаковых условиях и попадают в разные точки позиционно-чувствительного детектора или в разные детекторы, выстроенные по кольцу в ряд. Анализ по азимутальному относительно образца углу можно осуществлять поворотом образца или анализатора вокруг оси, проходящей через центр входной щели и ее проекцию на ось спектрометра.

Цель изобретения достигается путем трансформации пучка на пути от источника к входной щели. Выбор режима трансформации задается путем подачи определенного набора потенциалов на фокусирующие электроды и позволяет в большей мере улучшать те параметры, которые являются наиболее важными для решаемой задачи. Так, например, в методе фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением требуется прежде всего высокое угловое разрешение при хороших энергетическом разрешении и чувствительности.

В прототипе фотоэлектроны, испущенные из каждой точки образца, собираются в пределах очень малого угла 0,01. где l' расстояние от центра входной щели до образца. Малый угол сбора определяет низкую чувствительность прототипа, не позволяет получить высокое угловое разрешение, которое определяется значительной угловой апертурой спектрометра γ≈ 0,1, так как фотоэлектроны собираются с протяженного по оси Z участка L=l' sin γ. Улучшение углового разрешения в прототипе возможно только путем уменьшения угла γ что приводит к резкому уменьшению чувствительности спектрометра. Энергетическое разрешение при этом практически не улучшается, так как при малых углах γ определяется дисперсионным членом.

В изобретении угловое разрешение определяется угловой апертурой пучка при его входе не в анализирующее поле, а в фокусирующую систему (на чертеже угол α₁ ) и может быть многократно улучшено при одновременном улучшении абсолютного энергетического разрешения и увеличения чувствительности спектрометра. Так, в режим без замедления, когда энергии частиц на входе Е₁ и выходе Е₂ фокусирующей системы равны, т.е. когда равны потенциалы образца, крайних электродов фокусирующей системы и внутреннего электрода спектрометра, соотношение Лагранжа-Гельмгольца дает · 1 (1)
Соотношение (1) означает, что при той же, что и в прототипе ширине щели h и величине угловой апертуры γ т.е. при том же энергетическом разрешении и той же чувствительности можно улучшить разрешение (уменьшить α₁ ) за счет увеличения длины сбора частиц Д. При этом длина сбора, определяющая пространственное разрешение, остается много меньшей, чем в прототипе. За счет углового разрешения, которое тем не менее остается лучшим, чем в прототипе (α₁ < γ), можно улучшить энергетическое разрешение и чувствительность, достигая таким образом все поставленные цели одновременно.

Еще большего эффекта можно достичь в режиме замедления частиц, который реализуется, например, таким распределением потенциалов электродов, при котором они монотонно увеличиваются по мере перехода от образца, где энергия частиц Е₁, к внутреннему электроду спектрометра, где энергия частиц Е₂<Е₁. Если энергия частиц уменьшена в К раз, то соотношение Лагранжа-Гельмгольца дает
· . (2)
Cравнивая выражения (1) и (2) получаем следующее.

При условии h′γ′= hγ и L′= Lα′= , т.е. режим с замедлением позволяет в раз улучшить угловое разрешение по сравнению с режимом без замедления. При α^' α и L'L увеличивается чувствительность, так как h′γ′ hγ и улучшается абсолютное энергетическое разрешение:
ΔE¹ ΔE · ΔE · ~
Изобретение позволяет улучшить характеристики не только рассмотренного выше метода фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, но и характеристики других методов, основанных на анализе заряженных частиц по энергии и углу. Например, в таком практически важном методе исследования электронной структуры вещества, как оже-спектроскопия, можно по крайней мере в 10 раз повысить чувствительность, поскольку оже-электроны, испускаемые из области очень узкого электронного зонда (много меньшей области) сбора электронов в прототипе) собираются в пределах угла γ≈ 0,1. много большего, чем в прототипе 0,01. Такое преимущество в чувствительности позволяет существенно улучшить важное для оже-спектроскопии энергетическое разрешение путем уменьшения параметров h и γ. Cледует отметить, что использование в оже-спектроскопии многоканального по углу спектрометра позволяет определять распределение элементов по глубине твердотельного образца, не разрушая его.

Один из возможных вариантов конструкции электростатического спектрометра для энергетического и углового анализа заряженных частиц, близкий к представленному на чертеже, был изготовлен из титана, обладающего хорошими вакуумными, магнитными и механическими свойствами. Электроды фокусирующей системы по четыре в каждой группе выполнены в виде коаксиальных цилиндров с радиусами r₁=6 мм, r₂=15 мм, r₃=21 мм и r₄=25 мм. Общая высота попарно симметричных цилиндрических электродов около 30 мм много больше расстояния между соседними цилиндрами, благодаря чему уменьшается влияние полей "провисающих" со стороны внутреннего и симметризующего электродов. Уменьшению "провисания" способствуют и защитные кольца, перпендикулярные поверхности цилиндров (ширина 12 мм) одной из пар фокусирующих электронов. Расстояние между ближайшими к оси спектрометра электродами d₁=6 мм может быть увеличено путем замены этой пары. Расстояние между электродами наиболее удаленной от оси пары 3 мм. Прилегающая к оси спектрометра пара электрически может быть соединена с образцом и заземлена, но предусмотрена и возможность независимой подачи потенциалов на образец и данную пару электродов. На промежуточные электроды в обычных режимах могут подаваться потенциалы от делителя, соединенного с одним из электродов спектрометра: в режиме с постоянным абсолютным энергетическим разрешением с внутренним электродом 2, в режиме с постоянным относительным разрешением с внешним электродом 1.

Угол полураствора конических электродов выбран таким же, как в прототипе: β 45^о. Расстояние между коническими электродами Н=20 мм. Щели изготовлены сменными с ширинами h=0,2 мм, 0,4 мм и 0,6 мм, расстояние между ними l= 70 мм. Относительное энергетическое разрешение, представленное в таблице, оценено в предположении, что свойства анализатора в каждом из каналов близки к свойствам плоского конденсатора, т. е. что линейная дисперсия D ≈ l, а аберрационный коэффициент C/D ≈ 2. В таблице приведены также угловые апертуры γ входа заряженных частиц в анализирующее поле спектрометра, в пределах которых относительное разрешение не хуже указанного в таблице. Из таблицы также видно, что путем замены щелей можно в широких пределах менять чувствительность спектрометра, пропорциональную h γγ^* (γ^* угловая апертура в плоскости, перпендикулярной плоскости прохождения заряженных частиц в угловом канале спектрометра).

Дополнительную регулировку величины абсолютного энергетического разрешения Δ Е можно производить, меняя коэффициент К, равный отношению потенциалов на входе и выходе фокусирующей системы и показывающий, во сколько раз изменилась кинетическая энергия частицы на уровне щели спектрометра по сравнению с энергией на входе в него. Так, например, при работе с рентгеновскими фотоэлектронами (Е_о ≈1000 эВ) при относительном разрешении ΔЕ/Е= 1% путем увеличения коэффициента К от 1 до 10 абсолютное энергетическое разрешение улучшается от ≈ 10 до ≈ 1 эВ.

Цели изобретения в данном примере достигаются так же, как и в описанном выше общем случае. Так, в наиболее простом режиме без замедления (К=1) при подаче на промежуточные электроды фокусирующей системы потенциалов, равных U₂=U₃+1,4 Е₁/е (Е₁ энергия частиц на входе в спектрометр; е заряд электрода) α₁ γ (α₁ определяется выбором потенциалов электродов) и линейное пространственное разрешение улучшается примерно в 30 раз. Примерно в 1000 раз уменьшается площадь исследуемого пятна. Чувствительность, угловое и энергетическое разрешение остаются в этом случае теми же, что и в прототипе. Если U₂= U₃= 1,2 Е₁/е, то α₁ γ /3, и тогда чувствительность по сравнению с прототипом может быть увеличена на ≈ 30% одновременно энергетическое, пространственное и угловое разрешение улучшаются соответственно на 30% в 4,5 раза и в 5 раз, т.е. в данном случае одновременно могут быть достигнуты все цели изобретения. Возможны и режимы, в которых разрешение и чувствительность могут быть улучшены более значительно.

При реализации на данном примере (К=1) методики оже-электронной спектроскопии, даже с не очень малым диаметром электронного зонда (d*=100 мкм), достигается увеличение чувствительности по сравнению с прототипом в сотни раз при том же пространственном, энергетическом и угловом разрешении, а это значит, что все перечисленные параметры, включая чувствительность, одновременно могут быть улучшены во много раз путем уменьшения ширины щелей спектрометра.

Таким образом, заявленная конструкция спектрометра для энергетического и углового анализа заряженных частиц обеспечивает по сравнению с прототипом при одинаковых габаритных размерах улучшение углового и энергетического разрешения, увеличение чувствительности и обеспечивает пространственное разрешение.

Использование: при исследовании поверхностей веществ, плазмы, процессов электронных и атомных столкновений, в области энергоанализа заряженных частиц. Сущность изобретения: спектрометр заряженных частиц содержит два соосных конических электрода 1 и 2, с помощью которых осуществляется дисперсия частиц по энергии, и фокусирующую систему 8, расположенную между источником заряженных частиц и электродами. Благодаря тому, что фокусирующая система обладает той же, что и у электродов 1 и 2 аксиальной симметрией, а оси фокусирующей системы и электродов совпадают, обеспечивается возможность проводить анализ угловых распределений заряженных частиц одновременно с их энергетическим анализом, добиваясь при этом высокой чувствительности, энергетического, углового и пространственного разрешения. 1 табл., 1 ил.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И УГЛОВОГО АНАЛИЗА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий два соосных полых конических электрода, один из которых размещен внутри другого и имеет входную и выходную щели, перпендикулярные образующей конической поверхности электрода, фокусирующую систему, расположенную во внутреннем коническом электроде и представляющую собой две группы электродов не менее трех в каждой, попарно соединенных электрически и попарно симметричных относительно плоскости, проходящей через центр входной щели перпендикулярно оси конических электродов и представляющих собой кольцеобразные тела вращения, ось которых совпадает с осью конических электродов, отличающийся тем, что, с целью повышения дисперсии и разрещающей способности по энергии, электроды фокусирующей системы выполнены в виде цилиндрических колец, минимальное расстояние между фокусирующими электродами наиболее удаленной от оси спектрометра пары не менее ширины входной щели, минимальное расстояние между фокусирующими электродами ближайшей к оси спектрометра пары удовлетворяет соотношению

где h ширина входной щели спектрометра, м;
β угол полураствора конических электродов, рад;
a₁ угловая апертура в плоскости траектории заряженной частицы при входе в щель спектрометра, рад;
γ угловая апертура в плоскости траектории заряженной частицы при входе в спектрометр, рад;
К коэффициент, задающий требуемое абсолютное энергетическое разрешение спектрометра,
а фокусирующая система дополнительно снабжена коническим электродом с тем же, что и у внутреннего конического электрода анализатора углом полураствора, причем дополнительный конический электрод электрически соединен с внутренним электродом спектрометра и расположен на оси спектрометра так, что его вершина направлена противоположно вершине двух конических электродов.