Электростатический энергоанализатор заряженных частиц

 

1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОР ЭАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий пару электродов, первый из которых выполнен в виде двугранного угла, равного f/n, где. п - целое положительное число, а второй расположен симметрично относительно плоскости , проходяшей через ребро двугранного угла и делящей его пополам, а также источник и приемник пучка заряженных частиц, расположенные с внешней стороны второго электрода симметрично относительно плоскости, проходящей через его середину перпендикулярно ребру двугранного угла, отличающийся тем, что, ;с целью увеличения дисперсии, светосилы и упрощения конструкции, второй электрод выполнен плоским или в виде 1/2 п части цилиндрической поверхности , расположенной вогнутостью в сторону ребра двугранного угла, при этом выполняется условие 64, 51,8° (Л 2 6 h 12, где 9 - угол между оптической осью источиика заряженных частиц и проДольной осью анализатора (град). ю сд D1 00 Nj

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

Q% (И) (sg 4 Н 01 7 49/48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ; "

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

64,2 ъ 9 ъ 51,8

2 l6 h (129

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3695617/24-21 (22) 30.01,84 ,(46) 07,12.86,. Бюл. У 45 (71) Ордена Ленина физико-технический институт нм. А. Ф. Иоффе (72) Т. Я. Фишкова (53) 621.384.6(088.8) (56) Афанасьев В. П., Явор С. Я. Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц. М.: Наука, 1978. с. 181-184.

Фишкова Т. Я. Электростатические энергоанализаторы заряженных частиц типа двугранный угол. - ЖТФ, 1983, т. 53, Р 10, с. 2071-2080. (54)(57) 1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ЗНЕРГОАНАПИЗАТОР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИП, содержащий пару электродов, первый из которых выполнен в виде днугранного угла, равного и /п, где. n - целоеположительное число, а второй расположен симметрично относительно плоскости, проходяшей через ребро дву гранного угла и делящей его пополам, а также источник и приемник пучка sa-ряженных частиц, расположенные с внешней стороны второго электрода симметрично относительно плоскости, проходящей через его середину перпендикулярно ребру двугранного угла, отличающийся тем, что,,с целью увеличения дисперсии, светосилы и упрощения конструкции, второй электрод выполнен плоским нли в виде

1/2 и части цилиндрической поверхности, расположенной вогнутостью в сторону ребра двугранного угла, при этом выполняется условие где 0 - угол между оптической осью источника заряженных частиц и продольной осью анализатора (град).

2. Энергоанализатор цо п. 1, отличающийся тем, что он содержит несколько идентичных пар электродов, расположенных на равных расстояниях от источника и приемника частиц, при этом все первые электроды в виде двугранных углов соединены между собой и так же соединены вторые, и выполняется условие

2 (К» 2п, где К вЂ” число идентичных пар электродов.

1275587

3, Энергоанализатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что пара электродов выполнена в виде двух соосных правильных треугольных призм, причем внутренняя призма повернута отнбсительно внешней на угол 7 /3.

4. Энергоанализатор по пп. 1 и 2, отлич а ющийся тем, что пара электродов выполнена в виде двух .соосных правильных четырехугольных призм, причем внутренняя призма повернута относительно внешней на угол к /4.

Изобретение относится к технике спектрометрии элементарных частиц и может быть использовано при разработке энергоаналиэаторов с высокой разрешающей способностью и светосилой.

Целью изобретения является увеличение дисперсии, светосилы и упрощение конструкции путем увеличения угла ввода частиц относительно продольной оси анализатора за счет ослабления роста напряженности отклоняющего поля в плоскости дисперсии и увеличения телесного угла выходящих из источника частиц, проходящих через анализатор.

На фиг. 1 дана схема расположения узлов. одной ячейки анализатора и ход траекторий частиц; на фиг. 2 и 3— формы электродов в плоскости, перпендикулярной оси анализатора, варианты; на фиг. 4 — ход траекторий частиц в одной ячейке; на фиг. 5- - анализатор из нескольких ячерк, вариант; на фиг. 6 — разрез А-А на фиг. 5; на фиг. 7 и 8 — то же, вариант; на фиг. 9 — анализатор из нескольких ячеек, вариант; на фиг. 10 — разрез

Б-Б на фиг. 9; на фиг. 11 — анализатор из нескольких ячеек, вариант; на фиг. 12 — разрез В-В на. фиг. 11.

Анализатор содержит источник 1 заряженных частиц, электроды 2 и 3, формирующие электростатическое поле, источник 4 постоянного напряжения и приемник 5 заряженных частиц.

Устройство работает следующим образом.

4п7 х

К

В перпендикулярной ей плоскости (вертикальной) имеем

Из источника 1 выходит пучок заряженных частиц, который через. отвер-. стия в электроде 3 попадает в.электростатическое тормозящее поле, обра5 зованное в пространстве между элект" родами 2 и 3. При таком впуске и определенных условиях связи между углом.входа в поле центральной траектории, разностью. потенциалов между электродами и энергией частиц. траек-. тория пучка является зеркально симметричной относительно плоскости, проходящей через точку его поворота. Частицы с одинаковой энергией, сфокусированные по углу раствора пучка относительно центральной траектории, выходят из поля через другие отверстия в электроде 3 и попадают в приеиник 5, расположенный симметрично источнику относительно указанной плоскости

Выполнение второго электрода плоским или вогнутым, т.е. в виде 1/2 п части цилиндрической поверхности, расположенной вогнутостью в сторону ребра двугранного угла, приводит к иному, чем у известного устройства, закону изменения тормозящего электростатического поля. Так в плоскости

Зо дисперсии анализатора напряженность поля равна з 1275587 4 ,(2) 5

t0

D 1

L 2 cos B (3) где D — линейная дисперсия по энергии;

Ь вЂ” расстояние между источником 30 и приемником заряженных частиц.

Кроме того, изготовить плоский или вогнутый электрод значительно проще, чем поверхность и порядка. 35

Увеличение светосилы эпектростаА тического энергоанализатора происходит вследствие того, что его поле имеет (2-2n)-кратную симметрию относительно продольной оси анализатора, 40

Такое поле образуется за счет расположения К идентичных анализаторов с электродом в виде двуграниого угла на равных расстояниях от источника и приемника заряженных частиц. 4S

Все одинаковые электроды соединены между собой, т.е. первые и вторые электроды могут быть выполнены в виде единого целого, поэтому необходимо лишь одно питающее напряжение. 50

Существенным упрощением конструкции предлагаемого электростатического энергоанализатора является его выполнение в виде двух соосных правильных. треугольных или четырехугольных призми О

При этом для создания требуемого по» ля (l) и (2) с = внутреннюю треугольную призму следует повернуть от4

2 =— х П Ч (Хо ((и-i)-(и+1)и

Хп

Хmitl

1+x, хйХ il-1

cos 8 cosy ° х

singcos(,(>) где х;„- координата точки поворота центральной траектории пучка; г угол раствора пучка в вертикальной плоскости. Все линейные размеры выражены в единицах g.

Для получения фокусировки второго порядка в плоскости дисперсии следугде V †-.. разность потенциала между электродами;

g — - расстояние по нормали от ребра двугранного угла до второго электрода.

Из формулы видно, что предлагаемое поле несколько слабее линейного (n=2), квадратичного (n=3) или кубического (n=4) полей. Это означает, что для достижения такой же, как у известного устройства степени пространственной фокусировки (одновременной фокусировки в плоскости дисперсии и вертикальной плоскости), надо вводить пучок заряженных частиц в указанные поля под . большими, чем у известного устройства углами. С ростом угла входа в поле 8 дисперсия по энергии растет в соответствии с формулой носительно внешней на угол 1) /3, а для создания поля с n=4 внутреннюю четырехугольную призму следует повернуть относительно внешней на угол

Ф /4, Электростатическое поле предлагаемого энергоанализатора отличается от всех известных (1) и (2) sa счет выполнения первого электрода в виде двугранного угла, а второго — плоским или вогнутым. Поле такого ана-лизатора обеспечивает достижение положительного эффекта — увеличение дисперсии по энергии при сохранении фокусирующих свойств и увеличение светосилы за счет заявляемого строго определенного расположения электродов.

При этом в кбнструктивном отношении предлагаемый анапизатор значительно проще известного и не сложнее таких широко распространенных анализаторов как плоский и цилиндрический.

Для достижения фокусировки по углу первого порядка в плоскости дисперсии следует располагать источник (приемник) заряженных частиц на расстоянии h от плоского (цилиндрического) электрода, равном п Е аК, (4)

2 38 где Š— расстояние между входам в х поле и выходом иэ него центральной траектории пучка где " ускоряющий потенциал; х

2д и ) — координаты плоского элекn+I трода (для цилиндрического электрода х ));

arcing х „,;„= (1 rctg х,) 6)

У(в1п О cos3 ) п

1275587

I х—

C0S 6 cosg (7) и: 12

Цилиндрическое зер" кало

0,7651n †42,3

0,91

1 53

Двугранный угол и сложная форма второго электрода

Т/2 0,870

Т/4 1 035 и/2 0,901

51,9

2,10

1,31 (известный) 0,91

43,6

0,95

58 9

1,74

1,87

Двугранный угол и плоский электрод

54,6

Т/4 0,951 /12 1,005 /2 0,935.

1,14

1,49

51,8

0,42

1,31

64,2

l,43

2,62

Э 11 ет удовлетворить условию = 0 (6), которое, как и условие (4), было по-.. лучено в виде квадратур.

Чтобы определить условия простран5 ,ственной фокусировки, т.е. наряду .с условиями (4) и (6) получить фокусировку по углу в вертикальной плоскости, следует решить систему дифференциальных уравнений для траектории заряженных частиц в поле с напряженностью (1) и (2) На ЭВМ проведены расчеты электронно-оптических параметров предлагаемого энергоанализатора в широком диапазоне изменения величины двугранно25 го угла от я /2 до /12 для плоской и цилиндрической форм второго электрода (таблица). Для сравнения в таблице приведены аналогичные параметры для известного устройства, а З0 также наиболее часто используемого на практике — цилиндрического зеркала. Все параметры рассчитывались для

I оптимального режима работы, т.е. режима с пространственной фокусировкой .при фокусировке второго порядка в плоскости дисперсии (за исключением цилиндрического зеркала, у которого отсутствует вертикальная фокусировка).

Таким образом, предлагаемый электростатический энергоанализатор позволяет увеличить относительную дисперсию по энергии s 1,4-2 раза по сравнению с известным устройством и в

2-2,7 раза по сравнению с одним иэ лучших анализаторов — цилиндрическим зеркалом. При этом конструкция предлагаемого устройства значительно проще, а светосила в 2-8 раэ выше (в зависимости от количества двугран- ных углов в устройстве), чем у известного устройства.

Предлагаемый электростатический энергоанализатор может быть использован для анализа энергетического спектра заряженных частиц при исследовании элементного и химического состава материалов в эмиссионной и

СВЧ-электронике, электронной спектроскопии, растровой электронной микроскопии, при изучении элементарных процессов в физике атомных столкно-. вений, в космических исследованиях и т.д.

1275587

58,0

1907

1,78

53,7

0,41

1,43

Фиг. 8

Фиг. 5

Двугранйый угол и цилиндрический электрод /4 0,959

Т/12 1,005

Продолжение таблицы

5 J 6

1275587

Фиг. й, Pun. И

Составитель В. Краснопольский

Редактор Л. Гратилло Техред M.Õîäàíè÷ Корректор В. Синицкая

Заказ 6572/48

Тираж 643 Подписное

ВНИИПИ Государственного, комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4