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

Изобретение относится к приборам для анализа угловых и энергетических распределений заряженных частиц и может применяться для исследования твердого тела, плазмы, процессов электронных и атомных столкновений.

Целью изобретения является повышение чувствительности, достоверности и разрешающей способности.

Сущность изобретения заключается в том, что с помощью дополнительных электродов создается такое электрическое поле, которое фокусирует анализируемые на вынесенную за пределы поля и электродов плоскость, а не коническую поверхность, совпадающую с вторым электродом, как это сделано в прототипе. При этом на указанной плоскости частицы одной энергии фокусируются в окружность, разные точки которой соответствуют разным углам ϕ входа частиц в устройство, причем частицам большей энергии соответствуют окружности больших радиусов. С помощью многоканального двухкоординатного детектора, изготовленного, например, на основе плоских микроканальных пластин, возможно в одной экспозиции получить энергетическое (по радиусам) и угловое (по углам ϕ ) распределения исследуемых частиц, достигая таким образом огромное преимущество в чувствительности. При этом электронно-оптические свойства устройства оказываются лучшими, чем у прототипа того же размера.

Докажем существенность признаков.

Используя только два конических электрода, невозможно сделать плоской фокальную поверхность, имеющую у прототипа форму конуса. Для превращения фокальной поверхности в плоскость необходимо развернуть траектории частиц в обратном направлении (по сравнению с тем направлением, в котором они поворачиваются в прототипе) на определенный угол. Сделать это контролируемо и не нарушая фокусирующих и диспергирующих свойств устройства можно только с помощью дополнительно установленных внутри второго электрода соосных конических электродов третьего и четвертого. На третьем электроде должны быть расположены дополнительные входная и выходная щели иначе анализируемые частицы не могут войти в формируемое дополнительными электродами поле. Дополнительные и выходная щели должны быть много шире входной щели. В противном случае устройство не пропускает одновременно частицы разных энергий, отличающиеся абсолютной дисперсией. Если широкие щели не затянуть сетками, то провисание полей нарушает фокусирующие свойства устройства и делает его неработоспособным.

Условие последовательного расположения проекций центров всех щелей на ось следует из необходимости непересечения в пределах устройства электродов и полей, создаваемых первым и вторым, третьим и четвертым электродами.

Аналогично к пересечению электродов приводит нарушение следующих соотношений между углами полураствора конических электродов: Δ₂ ≅ Δ₃ и Δ₄ ≅ Δ₃.

Предлагаемая система предназначена для анализа дисковых пучков: частицы выходят из источника перпендикулярно оси устройства. Следовательно, угол полураствора второго электрода Δ₂ < 90^o, а анализируемый пучок, минуя входную щель, движется в направлении от вершины электрода. Это и приводит к следующим соотношениям для расстояний от центров щелей до оси: r₁<r₂; r₃<r₄.

Расчеты на ЭВМ ЕС-1055 м различных вариантов предлагаемых фокусирующих систем показали, что получение фокальной поверхности в виде плоскости возможно лишь в системах, в которых выполняется соотношение
Δ₂ + β₂¹ ≅ 90^o,
где β₂¹ угол между вектором скорости частиц и вторым электродом на уровне выходной щели. Физически полученное неравенство означает, что пучок заряженных частиц после выхода из поля, создаваемого первым и вторым электродами, не должен сходиться к оси симметрии системы. Отметим, что в конических полях при фокусировках первого и второго порядков угол β₂¹ ≅ 45^o при движении от вершины электрода. Учитывая предыдущее неравенство, получаем Δ₂ ≥ 45^o.

Из приведенных расчетов также следует ограничение на угол Δ₃: 67,5^o≅Δ₃<90^o и связь между углами Δ₃ и Δ₂:Δ₂≅Δ₃ Если указанные соотношения между углами полураствора электродов не выполняются, то система либо не обладает фокусирующими свойствами, т.е. не работоспособна, либо ее фокальная поверхность коническая с углом полураствора, меньшим 90^о. В последнем случае цель достигнута в связи с невозможностью изготовить конический двухкоординатный детектор с требуемыми параметрами.

Условие работы системы, заключающееся в необходимости получения расходящегося относительно оси пучка на уровне выходной щели, приводит к следующей связи расстояний от центров выходной и дополнительной входной щелей до оси: r₂ ≅r₃. И окончательно
r₁<r₂ ≅ r₃<r₄.

Отметим, что фокусирующие режимы работы устройства для углов полураствора электродов, лежащих в заданных диапазонах, всегда могут быть осуществлены путем изменения расстояния между выходной и дополнительной входной щелями и расстояния между дополнительной выходной щелью и детектором. Возможность выбора различных значений углов в указанных пределах позволяет варьировать параметры системы, подбирая их необходимые сочетания для конкретной физической задачи.

Таким образом, рассмотренные признаки являются существенными, а их совокупность, изложенная в формуле, позволяет добиться повышения чувствительности и разрешающей способности.

Докажем существенность отличий.

Установлено, что совокупность существенных признаков является новой по сравнению с решениями, известными в науке и технике. Известен спектрометр на основе цилиндрического зеркала, в котором для обеспечения работы с удаленным источником соосно расположено коническое зеркало, служащее только для разворота частиц, эмитируемых под углами 3-10^о к оси симметрии. Коническое зеркало является вспомогательным элементом, не фокусирует и не анализирует частицы, но обеспечивает энергетический анализ в оптимальном режиме с помощью цилиндрического зеркала. Исследование угловых распределений с помощью данного спектрометра невозможно. Предлагаемое устройство отличается от известного не только функционально, но и формой электродов, наличием последовательного расположения электродов вдоль оси, соотношением радиусов щелей, углов полураствора электродов и прочим. Если нумеровать щели известного устройства по ходу пучка, то соотношение радиусов следующeе: r₁ < r₂ < r₃ r₄, что отличается от соответствующего соотношения для предлагаемого устройства.

Известен также спектрограф на основе двух осесимметричных электродов, причем электрод с меньшим радиусом является цилиндрическим, а электрод большего радиуса слабо искривлен. Фокальная поверхность такого устройства приближается к поверхности внутреннего электрода.

Предлагаемое устройство отличается от известного установкой двух дополнительных электродов, формой электродов, наличием двух дополнительных щелей, их размерами, формой детектора, выносом детектора за пределы анализирующей системы. Функциональное отличие состоит в возможности исследования распределений частиц по полярному углу.

В результате взаимодействия всех существенных признаков изобретения появляется новое свойство предлагаемого устройства, проявляющееся в виде плоскости, перпендикулярной оси симметрии системы, и возможности одновременной регистрации частиц в этой плоскости, позволяющих достичь цель изобретения. Таким образом, изобретение является новым и обеспечивает достижение положительного эффекта.

На чертеже представлено поперечное сечение одного из возможных вариантов предлагаемого устройства, где 1, 2, 3 и 4 соответственно первой, второй, третий и четвертый конические электроды, 5 держатель образца, на котором находится источник, 6 фокусирующая система, 7 и 8 входная и выходная щели, 9 и 10 дополнительные входная и выходная щели, 11 двухкоординатный многоканальный детектор.

Устройство выполнено в виде четырех электродов, имеющих форму соосных конусов, например, с разнесенными вершинами и углами полураствора Δ₁=Δ₂, Δ₃= Δ₄ и расстоянием между электродами 1 и 2, равным расстоянию между электродами 3 и 4. Электрод 2 снабжен входной 7 и выходной 8 щелями, а электрод 3 дополнительными щелями: входной 9 и выходной 10. Щели 8, 9, 10, затянуты сетками, а их ширина существенно превосходит ширину входной щели 7. Все щели имеют форму усеченного конуса. Источник расположен на держателе 5 образца, и его положение совпадает с осью симметрии системы. Заряженные частицы, испущенные источником в направлении, перпендикулярном оси, проходят через фокусирующую систему 6 и попадают через входную щель в анализирующее поле между электродами 1 и 2, отражаются от него и диспергируют по энергии, фокусируясь на коническую фокальную поверхность, расположенную между выходной щелью 8 и дополнительной входной щелью 9. Далее частицы входят через щель 9 в поле между электродами 3 и 4, в котором они также диспергируют по энергии, разворачиваются в обратном направлении и фокусируются на плоский многоканальный двухкоординатный детектор, выполненный, например, из микроканальных пластин в виде дискового кольца, плоскость которого ортогональна оси устройства. Частицы одной энергии фокусируются на окружность определенного радиуса. Причем частицам большей энергии соответствуют окружности большого радиуса, т.е. участки детектора, более удаленные от оси устройства. Частицы, испущенные из источника под разными углами ϕ в плоскости, перпендикулярной оси устройства, во время энергетического анализа не меняют угловую координату (так как градиент потенциала по этой координате равен нулю) и вследствие осевой симметрии устройства попадают на участки детектора, соответствующие той же угловой координате. Таким образом, считывая с детекторами информацию по кольцу вдоль угла ϕ, получаем угловое распределение исследуемых частиц, а информация, считываемая вдоль радиуса, является информацией об энергетическом распределении частиц.

В рассматриваемом примере электроды 1 и 4 соединены с отрицательными полюсами источника питания, а электроды 2 и 3 с положительными, что соответствует условиям анализа электронов. Для анализа положительно заряженных частиц полярность указанных электродов должна быть обратной.

Предлагаемое устройство может быть осуществлено также на основе непараллельных конических электродов. В частности, вершины электродов 1, 2 и 3, 4 могут быть попарно совмещены. Вариация отношения углов при вершинах создает дополнительную степень свободы в формировании поля устройства и, следовательно, дополнительную возможность повышения его параметров.

Отметим, что в частном случае Δ₁=Δ₂, Δ₃=Δ₄, радиус входной щели r₁>>g, где g расстояние между коническими электродами, возможна аналитическая оценка параметров системы при использовании известных свойств полей между двумя коническими электродами с параллельными образующими. Также возможна оценка параметров в случае, если пары электродов 1, 2 и 3, 4 имеют общую вершину и Δ₁-Δ₂≅15^o, Δ₃-Δ₄≅15^o. В таком варианте устройства могут быть достигнуты более высокие значения абсолютной и относительной дисперсии, однако при этом возрастает коэффициент сферической аберрации. При работе с узкими пучками частиц такой вариант может быть предпочтительным.

Получена связь угла наклона δ фокальной поверхности по отношению к i-у электроду (i-2,3) с углом β_i входа частицы в анализирующее поле между электродами 1, 2 и 3, 4 соответственно
tgδ tgβ₁· ,
где E · sinΔ₂·h. где i=2; e заряд электрона; v разность потенциалов между электродами 1 и 2; ε начальная энергия частицы.

Исследования формы фокальной поверхности показывают, что при спектрографическом исследовании пучков заряженных частиц для энергий, отличающихся на 20% от основной энергии пучка, образующая фокальной поверхности остается прямой.

На ЭВМ ЕС-1055М был проведен численный расчет оптических характеристик спектрометра, изображенного на чертеже, в широком диапазоне геометрических и электрических параметров. Расчет позволил выбрать некоторые из оптимальных вариантов конструкции, на основании которых разработан эскизный проект. Приведем результаты расчета параметров выбранной конструкции.

Наиболее подробно были исследованы спектрометры с углами полураствора первого и второго электродов, удовлетворяющими соотношению 45^о≅ Δ₁=Δ₂ ≅ 85^о, и углами полураствора третьего и четвертого электродов, удовлетворяющими соотношению 67,5^о ≅ Δ₃=Δ₄ ≅ 85^о. При соблюдении указанных связей между углами система работает в режиме с фокусировкой первого порядка. В таблице приведены параметры двух вариантов выбранной конструкции. Для сравнения в первой строке таблицы даны характеристики прототипа. Здесь введены следующие обозначения: l сумма расстояний между щелями 8 и 9 и расстояния от середины щели 9 до детектора, измеренных вдоль оси симметрии системы; С₂ коэффициент аберрации второго порядка относительно угла раствора пучка α; D/C₂ коэффициент удельной дисперсии;
β₂ и β₃ углы между векторами скорости анализируемого пучка и образующими электродов 2 и 3 соответственно; d база спектрометра, равная расстоянию от эффективного источника до детектора, измеренному вдоль электрода 2:d=d₁+d₂ x cos ( Δ₃-Δ₂), где d₁ расстояние от эффективного источника до щели 9;
d₂ расстояние от щели 9 до детектора 11; ρ разрешение, вычисленное по формуле
p × 100% где S₁ ширина входной щели; величина S₂ при работе устройства в режиме спектрографа определяется пространственным по координате разрешением, при работе в режиме спектрометра это ширина дополнительной выходной щели, устанавливаемой в фокальной плоскости перед детектором (на чертеже не изображена): C_γ коэффициент аберрации второго порядка относительно угла полураствора пучка 2 γ в плоскости, ортогональной плоскости дисперсии; М линейное увеличение; D абсолютная дисперсия.

Величина базы спектрометра d бpалась равной 50 мм, 1,2γ 3^° М=1, g=20 мм расстояние между коническими электродами. Минимальные размеры щелей и углов раствора пучка α определяющие разрешение, выбираются из требования обеспечения прибором необходимой чувствительности. В предлагаемом устройстве значительное увеличение чувствительности достигается прежде всего за счет расширения функциональных возможностей. В данном примере рассматривались величины S₁= S₂= 0,5 мм и α5^о для прототипа и S₁=S₂=0,2 мм и α=3^о, и α=5^о для предлагаемого устройства. Чувствительность σ приведена в таблице в единицах чувствительности прототипа и рассчитывалась по формуле
σ α˙2γ˙S˙(N₁ + N₂), где S площадь входной щели для одного углового канала; N₁ число энергетических каналов; N₂ число угловых каналов. Считаем, что N₁=128, N₂=60.

Как видно из таблицы, во втором варианте конструкции возможно получение разрешения, в 2,4 раза лучшего, чем в прототипе. Коэффициент сферической аберрации С₂/d при этом почти в два раза меньше, чем в прототипе, а коэффициент удельной дисперсии D/C₂ на 58% превышает соответствующее значение для прототипа. Первый вариант предлагаемого устройства позволяет получать удельные дисперсии, в 3,5 раза превышающие удельные дисперсии прототипа, при этом разрешение оказывается почти в два раза лучше. Этот вариант предлагаемого устройства лучше использовать при анализе широких пучков, а предыдущий для узких.

При построении примера имелась в виду физическая задача, возникающая в фотоэлектронной спектроскопии. В задаче требуется определить энергетические и угловые распределения фотоэлектронов валентной зоны с высоким энергетическим и угловым разрешением. Однако, используя приборы с характеристиками, аналогичными характеристикам прототипа, эту задачу в полной мере решить трудно из-за недостаточной чувствительности, поскольку потоки используемого в экспериментах возбуждающего излучения уже не могут быть увеличены. Поэтому при использовании известных приборов часто приходится искусственно ухудшать разрешение для увеличения чувствительности. Все эти недостатки устранены в предлагаемом устройстве, которое не только обладает лучшими по сравнению с прототипом электронно-оптическими свойствами, позволяющими при тех же размерах получать более высокое разрешение, но и во много раз более высокой чувствительностью. Большое преимущество в чувствительности позволяет еще более увеличить энергетическое и угловое разрешение путем уменьшения апертур (т. е. путем жертвы части преимущества в чувствительности), а также резко увеличить надежность получаемых данных за счет увеличения статистики и числа измеряемых точек.

Таким образом, заявленная конструкция устройства для энергетического и углового анализа заряженных частиц обеспечивает по сравнению с прототипом при одинаковых или меньших габаритных размерах повышение чувствительности и разрешающей способности.

Изобретение относится к приборам для анализа угловых и энергетических распределений заряженных частиц и может применяться для исследования твердого тела, плазмы, процессов электронных и атомных столкновений. Сущность изобретения: существующие устройства не позволяют измерять в одной экспозиции распределения частиц по углу и энергии, что осуществляется в предлагаемом устройстве и приводит к повышению чувствительности и улучшению разрешения. Устройство содержит два соосных последовательно расположенных вдоль оси конических электрода 1 и 2, входную и выходную щели 7 и 8 в форме усеченного конуса, расположенные на втором электроде 2, помещенном внутри первого, фокусирующую систему 6, расположенную внутри второго электрода анализатора, третий и четвертый соосные конические электроды 3 и 4 с определенными углами раствора и щелями 9 и 10 и детектор 11, выполненный многоканальным двухкоординатным и установленный вне электродов в плоскости, перпендикулярной оси устройства. 1 табл., 1 ил.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И УГЛОВОГО АНАЛИЗА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащее первый полый конический электрод и соосный с ним второй полый конический электрод, расположенный в полости первого конического электрода, причем второй полый конический электрод выполнен с идентичной первому ориентацией вершины конической поверхности и имеет две кольцевые щели для прохождения частиц, края которых образованы пересечением конической поверхности второго электрода с радиальными секущими плоскостями, фокусирующую систему, расположенную в полости второго конического электрода и детектор, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и разрешающей способности, в полости второго конического электрода соосно с ним установлены дополнительно третий и четвертый полые конические электроды с той же ориентацией вершин их конических поверхностей, что и у других конических электродов, причем третий электрод, установленный между вторым и четвертым электродами, выполнен с двумя кольцевыми щелями для прохода частиц, форма которых аналогична форме щелей во втором электроде, при этом обе щели в третьем электроде и вторая по ходу пучка щель во втором электроде по меньшей мере втрое шире первой щели во втором электроде и затянуты сеткой из проводящего материала, а полусумма радиусов краев второй щели во втором электроде не превышает полусумму радиусов краев первой щели в третьем электроде, причем углы раствора конических электродов удовлетворяют условиям
Δ₂≅ Δ₁;
Δ₄≅ Δ₃;
90^°≅ Δ₂≅ Δ₃;
135≅ Δ₃≅ 180^°,
где Δ_i угол раствора i-го конического электрода,
i 1,2,3,4,
а детектор расположен напротив последней по ходу пучка щели и выполнен двухкоординатным позиционно-чувствительным в виде плоского кольца, установленного ортогонально оси устройства.