Спектрометр пучков заряженных частиц Советский патент 1985 года по МПК H01J49/48 H01J49/40 

i

Изобретение относится к спектроскопии пучков заряженных частиц и может быть использовано для построения энерго- и масс-анализатора высокой чувствительности.

Известен спектрометр пучков заряженных частиц для энергоанализа, содержащий источник, цилиндрическое зеркало и приемник.Этот прибор обладает свойством угловой фокусировки второго порядка. Размытие изображения в фокусе в этом случае определяется угловыми аберрац|-шми третьего и четвертого порядков. С ростом угловой расходимости пучка заряженных частиц наибольший вклад в размытие изображения вносит кубичкая угловая аберрация, ограничивающая разрешающую способность и, тем самым, чувствительность спектрометРа 1 .

Для масс-анализа известный спектрометр не применялся.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является спектрометр заряженных частиц, со-, держащий последовательно расположенные источник частиц, два каскада цилиндрических зеркал, в промежуточном фокусе которого установлено кор ректирующее электронное зеркало для инвертирования траекторий и детектор. Устройство может работать, как ахроматор и как энергоанализато При определенной форме линии отражения инвертирующего зеркала в данном устройстве, работающем как энергоанализатор, возможна компенсация кубической угловой аберрации следовательно, угловая фокусировка третьего порядка 2 .

Недостатком этого устройства является большая сложность изготовления сеточных электродов инвертирующего зеркала, обеспечивающих с заданной точностью изменение наклона траектории м(2жду каскадами цилиндрических зеркал, и невозможность масс-анализа.

Цель изобретения - повьшение чувствительности энергоанализа и расширение функциональных особенностей за счет обеспечения возможности анализа масс.

Цель достигается тем, что в спек рометре пучков заряженных частиц, содержащем последовательно расположенные источник частиц, два электро

112

статических цилиндрических зеркала и детектор частиц, второе электростатическое ирилиндрическое зеркало выполнено двухкаскадным, между каскадами которого расположено сферическое электростатическое зеркало, а на входе второго электрического цилиндрического зеркала помещен модулятор пучка частиц, соединенный через коммутатор с источником напряжения, при этом радиусы внутренних цилиндрических электродов комбинированной системы и цилиндрического зеркала удовлетворяют соотношению

Г,.а,-Гг. ,

где 1 г 2 Рздиусы внутреннего

. цилиндрического электрода;

кубическая угловая аберация соответственно комбинированной системы и цилиндрического зеркала.

Объединив цилиндрическое зеркало с комбинированной системой, можно увеличить чувствительность масс-анализа .

На чертеже предстаапена схема предлагаемого спектрометра.

Спектрометр содержит цилиндрическое зеркало 1, комбинированную систему из двух каскадов цилиндрического зеркала 2 с промежуточным сферическим зеркалом 3, внутренний электрод 4 цилиндрического зеркала, находящийся под потенциалом Земли, внешний электрод 5 цилиндрического зеркала, на который подается отклоняющий потенциал, внутренний электрод 6 двухкаскадного цилиндрического зеркала, находящийся под потенциалом Земли, внешний электрод 7 двухкаскадного цилиндрического зеркала, на которьш подается отклоняющий потенвдал, внутренний электрод 8 сферического зеркала, на который подается отклоняющий потенциал, внешний электрод 9 сферического зеркала, находящийся под потенциало Земли, детектор 10, модулятор, представляющий собой систему из двух коцентрических сферических электродов 11 из прозрачной сетки, соединенных через переключатель с источником импульсного напряжения.

Спектрометр пучков заряженных частиц работает следующим образом.

Для энергоанализа. Пучок заряженных частиц от источника (не показан) поступает в поле цилиндрического зеркала 1, отражается и фокусируется с отрицательной кубической угловой аберрацией на вход комбинированной системы. При прохождении пучка через комбинированную систему зеркал отрицательная угловая аберрация цилиндрического зеркала 1 компенсируется положительной угловой аберрацией комбинированной системы и в детектор 10 поступает пучок заряженных частиц с угловой фокусировкой третьего порядка.

Для масс-анализа. Пучок заряженных частиц после прохождения цилиндрческого зеркала 1 монокинетизируется, в результате в комбинированную систему поступают заряженные из узкого энергетического интервала первоначального спектрального распределения. На входе в комбинированную систему помещены два сферических концентрических электрода 11 из металлической сетки высокой прозрач.ности, соединенные через переключатель с источником импульсного напряжения (не показаны). Между электродами 11 периодически создается запирающее пучок электростатическое поле. Воздействием на пучок периодически меняющегося электростатического поля формируются короткие по временной протяженности пакеты заряженных частиц. В момент формирования каждого пакета запускаются электронные часы, с помощью которых регистрируется время пролета через . комбинированную систему различных по массе частиц в детектор ТО. Последовательно настраивая цилиндрическое зеркало 1 и комбинированную сиетему на пропускание частиц различной энергии, можно измерить функцию спектрального распределения и по

массам и по энергии.

I

Проводят исследования электроннооптических свойств комбинированной системы из двух каскадов цилиндрического зеркала 2 с промежуточным сферическим зеркалом 3.

Комбинированная электростатическая система является ахроматором (продольная дисперсия по энергии равна нулю), фокусирующим с точность

до квадрата угловой расходимости, причем коэффициент кубической угловой аберрации положителен и по величине сопоставим с кубической угловой аберрацией цилиндрического зеркала 1 в режиме угловой фокусировки второго порядка. Так как знаки кубических угловых аберраций цилиндрического зеркала 1 и комбинированной системы противоположны, то можно использовать комбинированную систму ч качестве корректора для устранения кубической угловой аберрации цилиндрического зеркала. Для этого необходимо подобрать соотношение радиусов внутреннего электрода 4 цилиндрического зеркала 1 и внутреннего цилиндрического электрода 6 комбинированной системы так, чтобы абсолютные значения коэффициентов кубической угловой аберрации были равны, т.е.

а,Г1-а

(1)

г )

где q, и Qj кубическая угловая

аберрация; г, и г - радиусы внутреннего

цилиндрического электрода соответственно двухкаскадного и однот каскадного цилиндрических зеркал.

Из расчетов следует, что кубическая аберрация комбинированной системы примерно вдвое больше, чем у цилиндрического зеркала 1. Следовательно, согласно формуле (1) радиус внутреннего электрода цилиндрического зеркала должен быть примерно вдвое больше, чем радиус внутреннего цилиндрического электрода системы.

Из рассмотрения свойств комбинированной системы установлено, что траектории заряженных частиц одинаковой массы и энергии в этой системе зеркал являются изохронными с точностью до квадрата угла расходимости пучка. В режиме изохронных траекторий время пролета заряженных частиц с одинаковой кинематической энергией но различных по массе отличается. Это свойство позволяет использовать комбинированную систему из двух каскадов цилиндрических зеркал и промежуточного сферического зеркала для светосильного времяпролетного

масс-анализа монохроматизированных

пучков заряженных частиц.

t -

Таким образом, новое совокупное применение цилиндрического зеркала и комбинированной системы из двух каскадов - цилиндрического зеркала

970511. 6

и промежуточного сферического зеркала - позволяет получить новый положительный эффект, а именно устранить кубическую угловую аберрацию и 5 обеспечить высокочувствительньй

энергетический и масс-анализ пучков заряженных частиц.

СПЕКТРОМЕТР ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий последовательно расположенные источник частиц, два электростатических цилиндрических зеркала и детектор частиц, отличающийся тем, что, ,с целью повьшения чувствительности энергоанализатора и расширения функциональных возможностей за счет обеспечения возможности анализа масс, второе электростатическое цилиндрическое зеркало вьтолнено из двух каскадов, между которыми расположено сферическое электростатическое зеркало, а на выходе второго электростатического цилиндрического зеркала помещен модулятор пучка частиц, соединенный через коммутатор с источником напряжения, при этом радиусы внутренних цилиндрических электродов комбинированной системы и цилиндрического зеркала удовлетворяют соотношению Г,-а, Гг-а, где f, , 2 - радиусы внутреннего цилиндрического электрода; 9 О,,Я; - кубическая угловая аберрация соответственно электростатического цилиндрического зеркала и системы из двух каскадов электростатического цилиндрического зеркала и располо женного между каскадами сферического элекО 01 тростатического зеркала.