Электронный спектрометр

 

Изобретение относится к области электронной спектрометрии и к массспектрометрам. Цель изобретения - увеличение площади сканирования образца на базе кназиконического энергоанализатора - достигается за счет введения дополнительного поворотного устройства, упрощения конструкции и снижения вторично-эмиссионных эффектов. Устройство содержит образец 1, первый 2 и второй 3 электроды поворотного устройства, внутренний 4 и внешний 5 электроды энергоанализатора, источники 8 облучения , выходную диафрагму 9, электронный умножитель 10, систему 11 управления, сбора и обработки информации . Электроды 2 и 3 выполнены в виде конических поверхностей, образованных металлическими нитями. Введение малогабаритного поворотного устройства позволяет фокусировать при малых аберрациях заряженные частицы , эмиттированные с большой площади образца. При этом обеспечивается электронная настройка спектрометра в режимы наибольшей чувст- . вительности и предельного разрешения . 2 з.п.ф-лы. 3 ил. i СЛ 1 о о 05 7О-ГГ фuгf

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИ4ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (д11 4 Н 01 J 49/44

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ; у, Н А ВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

-n (21) 3884652/24-21 (22) 24.01.85 (46) 15.04.87. Бюл,¹ 14 (71) Специальное конструкторское бюро аналитического приборостроения Научно-технического объединения АН СССР и Ленинградский политехнический институт им. M.È.Êàëèíèíà (72) 1О.К.Голиков, M.Л.Александров, A.À.Màòûøåâ, А.M.Ðîìàíîâ, К.Г.Уткин, Н.А,Холин и В.В.Чепарухин (53) 621.384(088.8) (56) Зашквара В.В., Корсунский M,È., Космачев О.С. Фокусирующие свойства электростатического зеркала с цилиидрическим полем. — ЖТФ, т, 3, ¹ 1„ с. 137., 1966.

Авторское свидетельство СССР № 1ll?440, Н 01 J 49/44, 1983.

Авторское свидетельство СССР

¹ 845674, кл. Н 01 J 49/44, 1980. (54) ЭЛЕКТРОННЫЙ СПЕКТРОИЕТР (57) Изобретение относится к области электронной спектрометрии и к масс,— спектрометрам. Цель изобретения— увеличение площади сканирования образца на базе кааэиконического энергоанализатора — достигается за счет введения дополнительного поворотного устройства, упрощения конструкции и снижения вторично-эмиссионных эффектов. Устройство содержит образец 1, первый 2 и второй 3 электроды поворотного устройства, внутренний 4 и внешний 5 электроды энергоанализатора, источники 8 облучения, выходную диафрагму 9, электронный умножитель 10, систему 11 управления, сбора и обработки информации. Электроды 2 и 3 выполнены в виде конических поверхностей, образованных металлическими нитями. Введение малогабаритного поворотного устройства позволяет фокусировать при малых аберрациях заряженные частицы эмиттированные с большой пло1 щади образца. При этом обеспечивается электронная настройка спектрометра в режимы наибольшей чувствительности и предельного разрешения. 2 з.п.ф-лы. 3 ил.

4!06

1О

1 130

Изобретение относится к области электронной спектроскопии и массспектрометрии.

Цель изобретения — увеличение площади сканирования образца электронного спектрометра на базе квазиконического энергоанализатора за счет введения дополнительного поворотного устройства, а также упрощение конструкции и снижение вторично-эмиссионных эффектов, связанных с краями щелей.

На фиг,1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 и

3 - диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит образец 1, первый электрод 2 поворотного устройства, второй электрод 3 поворотного устройства, размещенный за первым электродом 2, внутренний электрод

4 энергоанализатора, установленный снаружи от электродов 2 и 3, внешний электрод 5 энергоанализатора, установленный снаружи от электрода 4, входную 6 и выходную 7 щели, выполненные в электроде 4, источники 8 облучения, приемную щель в выходной диафрагме 9, электронный умножитепь !

О, установленный за диафрагмой 9, систему управления, сбора и обработки информации (СУСОИ) 11.

Первый электрод 2 поворотного устройства выполнен в виде сплошного конуса с двумя кольцевыми щелями либо в виде сетки из металлических нитей, натянутых по образующим конуса и лежащих в тех же меридиональных плоскостях, что и нити, затягивающие входную и выходную щели во внутреннем электроде энергоанализатора.

Второй электрод 3 поворотного устройства в режиме создания им мнимого кольцевого изображения может быть выполнен также в виде конической сетки с определенным углом раствора, что существенно снижает вторичноэмиссионные эффекты и увеличивает соотношение сигнал — шум спектрометра, не ухудшая разрешения.

Устройство работает следующим образом.

Заряженные частицы, испускаемые образцом 1 под воздействием источников 8 облучения, под углом к оси и с раствором пР попадают в область между электродами 2 и 3 поворотного устройства, в котором действует тормозящее электрическое поле, образующееся при разности потенциалов между этими электродами. В этом поле происходит отклонение частиц, которые входят затем через входную щель в энергоанализатор под углом

Ы к оси Z с угловым раствором йй.В зависимости от режима работы поворотного устройства касательные к электронным траекториям в области входной щели сходятся на точечном или кольцевом мнимом изображении, так что сам энергоанализатор как бы тт рассматривает мнимый источник, оптимально по отношению к нему расположенный ° Пройдя через входную щель б энергоанализатора, частицы диспергируются и фокусируются в поле, образующемся при подаче разности потенциалов между внутренним 4 и внешним 5 электродами. Ионоэнергетический II 0K концентрирующийся вблизи осевой траектории, через выходную щель 7 выводится в дрейфовое пространство, попадает затем в приемную щель диафрагмы 9 и регистрируется электронным умножителем и СУСОИ 11.

Выражение потенциала, послужившее для определения формы полезадающих электродов (фиг.2), получено из следующих теоретических соображений.

Известно, что плоское зеркало в зависимости от угла ввода и энергии пучка из дрейфового пространства осу35 ществляет действительную либо мнимую фокусировку с легко рассчитываемыми параметрами. Для построения осесимметричной системы, в которой реализуется поле с характеристиками, подоб4g ными плоскому зеркалу в области, прилегающей к заранее заданному осесимметричному эквипотенциальному конусу, угол раствора которого должен был варьироваться в широких пределах, 45 была сформулирована задача Коши для осесимметричного уравнения Лапласа, со следующими условиями: найти решение Р(р,2t) осесимметричного уравнения Лапласа, кото ое в полярных

5g координатах Р = г + Z c

= arctg - имеет вид

2 а. ОМ 1 8 . „ЗЧ вЂ” (- ) + +—.— — --(..» --)=О, а Г Э з п а О О

55 (1) обращающееся в 0 на заданном конусе (=(и, кроме того, имеющее постоянную вдоль всей образующей нормальную компоненту поля Е„. Нормальная к

1304106 конусу компонента градиента потенциала в полярных координатах имеет вид

1 3(P

Е)) = (2)

P v

Условие

1 ЭФ

Е„/ --/ = Е и о — P 3(g g=gо — сопБС заведомо выполнится, если удастся найти решение. для (1) вида

О можно получить равенства

С,cos cp + С (1 + cos(p 1n tg --) О, + Cgs)npî + С (s)про 1n tg

cos Vo

--.-----) = Е = const. з 1 и Ч о

Решая эту алгебраическую систему относительно постоянных С и С можно получить

1 + cos М,> 1п tg fo/2

s ) n Qб + cos t1) <

Е

С (9)

1 + tgq, 55

50

Таким обра .:), имеется возможность построить поле, однородное вдоль всей образующей конуса 1р = э и прак о

Р= t f(У). (11)

Действительно, величина к = — -(-- p f(g) = - — (S)

1 3 df

A P Д ) не зависит от р и, следовательно, при Ц) = ц) = const E = const также. о h

Подстановка предполагаемой формы 20 . решения (4) в (1) дает для Г обыкновенное дифференциальное уравнение, которое является уравнением функций

Лежандра с нулевым индексом

Ф

1 25

f + ссу с ° t + 2f = О. (6)

Общий интеграл для (6) имеет вид

С cosq+ С (! + cosy In cg 1 () и, следовательно, искомый потенциал (7) (4) должен иметь вид

=p (C,cos4 + С (I + cosq In cg -)) (8) 35

Подчинив теперь эту функцию условиям тически не меняющееся в достаточно узком слое, прилегающем к этому эквипотенциальному конусу. Злектроннооптические характеристики такой системы очень близки к плоскому зеркалу, если только траектории не заходят слишком далеко от конуса (р

Эквипотенциалы поля представляют собой поверхности вращения, проходящие через вершину конуса, причем вдали от оси симметрии они постоянно превращаются в конусы, параллельные начальному (Ч ), а при приближении к началу координат вытягиваются

s в иглу. Для реализации этого поля нужно взять какую-нибудь эквипотенциаль Р = С тогда ее уравнение

Э имеет вид

)I((C In@ s с (1 + cosy In s9 )1

Ч 1

= C3„ где С, и С взяты из (9).

Отсюда и получают выражение для точной формы полезадающего электрода поворотного устройства.

Величина С имеет наглядный физический смысл геометрического фактора определяющего максимальное расстояние вдоль оси 2 между электродами 2 и 3 поворотного устройства (фиг.3), характеризует габариты. этого устройства и для практически интересных случаев реализации может быть выбрана в зависимОсти от конкретных требований к габаритам из диапазона значений 0,1 - С х- 1,2.

Положение вершины конического электрода на оси Z (точка А) определяется выражением

Z> — Z = г ) ctg qo 2S гле S есть отрезок PQ, т.е. ширина входной щели в электроде 4 квазиконического энергокатализатора (фиг.2).

Положение вершины конуса не слишком критично сказывается на работе поворотного устройства, так как "зеркальный" режим его работы допускает перемещение "зеркала" параллельно, самому себе в пределах величины S.

Угол ц) в каждом конкретном случае практической реализации определяется через углы /3 и gа ввода осевой траектории соответственно в поворотное устройство и в квазиконический энергоанализатор (фиг.2). Точка L место пересечения осевой траектории с внешним электродом 2 поворотного

1304106 6 устройства, где прорезается входная щель поворотного устройства, оС угол вывода осевой траектории из поворотного устройства через электрод 2 в точке К. Здесь прорезается выходная щель поворотного устройства.

М, — угол касательной к траектории в точке К. Этот же угол Ж является углом ввода осевой траектории во входную щель PQ квазиконического энергоанализатора, прорезанную в электроде 4 этого анализатора в соответствии с выбранным режимом его работы. М. — угол касательной к траектории в точке D (середина щели с координатами r, Z ).

О о

Диапазон углов 70 + aC и 90 определяется выбором режима работы квазиконического энергоанализатора (режим фокусировки: мнимое кольцо ось) в соответствии с теорией его работы.

Диапазон углов 10 (P и 30 определяется взаимным расположением входной щели квазиконического энергоанализатора и исследуемого источника заряженных частиц (образца) с учетом необходимости максимального удаления последнего от входа в анализатор (для обеспечения свободы манипуляций с образцом 1).

Указанные диапазоны углов ос и 8 дают диапазон возможных углов для величины (в соответствии с форму лой с + j3 О- 2 1

40 . Чо и 60 °

Эта формула легко находится из очевидных геометрических соотношений

1 между углами (фиг.2): 3 =( 1 О

Исключая угол из системы, находят приведенную связь между углами M, P

HqoОжидаемый эффект прогнозируется с очевидностью на основе следующей оценки. Как известно, разрешающая способность R

R =

g 1 где 0 - дисперсия;

Ь вЂ” аберрационное уширение изображения источника.

Из теории квазиконического энергоанализатора следует, что для него .

D не менее чем в 2,5 раза больше, а Д не менее чем в 4 раза меньше соответствующих значений цилиндрического зеркала, Таким образом, в предлагаемом устройстве теоретически достижима разрешающая способность R не менее чем в 1О раз большая, чем в цилиндрическом зеркале (если у цилиндрического зеркала 1/R 1, То 3pech 1/К 0>1X)в При этом од новременно площадь сканирования увеI личивается в — раз, где И вЂ” линейное увеличение поперечного размера источника частиц. Поскольку в данном случае M 0,1, как это следует из построения изображения источника на основе расчета траекторий„ то увеличение площади будет не менее чем в 100 -раз, т.о. BMecTQ 0,2 к0,2 мм будет 2 2 мм

Конкретная реализация устройства позволяет изменять расстояние от образца до энергоанализатора в диапазоне 0-30 мм без изменения разрешения и при очень слабом влиянии на положение спектральных линий.

Размеры эмиттирующего участка образца„ отображаемого без искажений в анализируемых электронах, составляет

2 2 мм, что на два порядка превося ходит обычно используемое цилиндрическое зеркало таких же габаритов и на порядок превосходит цилиндрическое зеркало с шаровым поворотным устройством.

Данная энергоанализирующая система с поворотным устройством легко настраивается в оптимальный режим за счет изменения соотношения между потенциалами на поворотном электроде и на внешнем электроде энергоанализатора. Функцию настройки в режим наибольшей чувствительности в спектрометре осуществляет СУСОИ, управляющая соответствующими потенциалами на основе анализа сигнала с электронного умножителя, Таким образом, электронный спектро. метр, энергоанализирующая система которого состоит из квазиконического энергоанализатора и встроенного в него малогабаритного поворотного уст-. ройства с коническим входным электродом, обладая высоким энергетическим разрешением позволяет фокусировать при очень малых аберрациях заряженные частицы, эмиттированные с большой

7 130ч1 площади образца, зондируемой источниками облучения при изменяющихся в широком диапазоне расстояниях от образца до энергоанализатора. Кроме того, имеется возможность электрон- 5 ной настройки спектрометра в режимы наибольшей чувствительности и предельного разрешения.

Формула изобретения

1. Злектронный спектрометр, содержащий соосные квазиконический энергоанализатор, держатель облучаемого образца и приемник вторичных: частиц, установленные на входе и на выходе энергоанализатора, а также источник облучения образца, аптическая ось которых проходит через держатель образца, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью увеличения площади сканирования образца, энергоанализатор снабжен устройством поворота пучка, выполненным из двух соосных осесимметрических изолирован25 ных электродов, причем внешний электрод с выполненными в нем входной и выходной концентрическими щелями выполнен в виде конической поверхности с углом полураствора при.вершине б (g, а внутренний электрод имеет се !

06 чение в меридиональной плоскости, соответствующее в полярной системе координат выражению

С3

Р

С,caSq C>((icosqlnk — (P 1 полярный радиус, м; язимутальный угол, рад, 1 + cos(P ° 1ï tg Чо/2

Р Я з " gî+ созе где р

Ч1

С

1 + tgpо

2; Спектрометр по п.l, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения конструкций, внутренний электрод устройства поворота выполнен в виде конической поверхности с углом полураствора при вершине конуса (fî

3. Спектрометр по п.2, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью снижения вторично-эмиссионных эффектов, есвяэанных с краями щелей, оба электрода устройства поворота выполнены в виде конических поверхностей, образованных металлическими нитями, натянутыми вдоль образующих конусов, н лежащих в совмещенных меридиональ. ных плоскостях.

1304106

Составитель А.Нестерович

Редактор Л.Веселовская Техред Н.Глущенко Корректор М.Шароши

Заказ 2310

Тираж 698 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4