Энергоанализатор заряженных частиц

 

Изобретение может применяться, например, для исследования плазмы и позволяет увеличить дисперсию и разрешающую способность энергоанализатора (ЗА) за счет возможности варьирования распределений потенциала в области дисперсии. Центральная часть 1 и две симметричные части 2 формируют один из электродов. ПротиволежаИзобретение относится к приборам для анализа заряженных частиц по энергии и может применяться для исследования плазмы, поверхности вещества , процессов электронных и атомных столкновений и т.д. Целью изобретения является увеличение дисперсии и разрещающей способности электрического энергоанализатора за счет возможности варьирования распределений потенциала в области дисперсии. щий электрод также образован центральной частью 3 и двумя симметричными частями 4. Плоскости симметрии электрода и их частей 1-4 совпадают, а симметричные части 2 и 4 попарно соединены с источниками 6 и 7 питания . Благодаря этому электрическое поле ЗА имеет плоскость симметрии, в которой лежит осевая траектория пучка и происходит дисперсия частиц по операциям. Изменение числа частей электродов и нх размеров, подсоединение их к различным источникам 5-7 питания з величивает угол Q входа частиц в поле, а следовательно, повышает дисперсию ЭА. Дня создания в ЗА требуе 5ого распределения поля в области прохождения пучка необходимо , чтобы расстояние между зазором и плоскостью cи iмeтpии были сравнимы с расстояниями между центральными частями 1 и 3 электрода и, следовательно , меньше расстояния между входной и выходной ш.елями. 4 ил. Изготовление электродов из нечетного числа частей, разделенных Зазорами, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью симметрии электродов и попарное подсоединение симметричных частей электродов соответственно каждая пара к источнику питания дают иное, по сравнению с прототипом, распределение потенциала в пространстве между - электродами, что позволяет повысить дисперсию и разрешающую способность энергоанализатора. Известно, что в iO СО «- о 00 О5 со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU 1376833 (51) 4 Н 01 3 49/44

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4026602/24-21 (22) 20.02.86 (46) 23.06.89. Бюл. ¹ 23 (71) Физико-технический институт им, А.Ф, Иоффе (72) Л,А. Баранова, С.Г. Нарылков и С.Я. Явор (53) 621.384.6 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1120870, кл, Н 01 J 49/48, 1985.

Авторское свидетельство СССР № 1150680, кл, H 01 J 49/44, 1985. (54) ЭНБРГОАНАЛИЗАТОР ЗАРЯЖЕННЫХ

ЧАСТИЦ (57) Изобретение может применяться, например, для исследования плазмы и позволяет увеличить дисперсию и разрешающую способность энергоанализатора (ЭА) за счет возможности варьирования распределений потенциала в области дисперсии. Центральная часть

1 и две симметричные части 2 йормируют один из электродов. ПротиволежаИзобретение относится к приборам для анализа заряженных частиц по энергии и может применяться для исследования плазмы, поверхности ве— щества, процессов электронных и атомных столкновений и т.д.

Целью из о брет ения явля ется ув еличение дисперсии и разрешающей спо— собности электрического энергоанализатора за счет возможности варьирования распределений потенциала в области дисперсии. щий электрод также образован цент— ральной частью 3 и двумя симметрич ными частями 4. Плоскости симметрии электрода и их частей 1 — 4 совладавши, а симметричные части 2 к 4 попарно соедкнены с исто никами 6 и 7 питаHYMIR.Благодаря этому электркческое поле ЭА имеет плоскость симметрии, в которой лежит осевая траектория пучка и происходит дисперсия частиц по операциям. Изменение числа ч стей электродов и к: размеров, подсо— единение их к различным источникам

5-7 питания увеличивает угол 0 вхо— да частиц в поле, а следовательно, повышает дисперсию ЭА. Для создания в ЭА требуемого распределения поля в области прохождения пучка необходимо, чтобы расстоячие между зазором и плоскостью симметрии были сравнимы с расстояниями между центральными частями 1 и 3 электрода и, следоваTBJIüíо, меньше рассTоянкя между входной и выходной щелями. и ил.

Изготовленке электродов из нечетного числя частей, разделенных

3 азорами, плоскость симметрии к от орых совпадает с плоскостью симметрии электродов к попарное подсоедкнение симметричных частей электродов -оответственно каждая пара к своему источнику питания дают иное, по сравнению с прототипом, распределение потенциала в пространстве между электродами, что позволяет повысить дисперсию и разрешающую способность энергоанализатора. Известно, что в

3 137б анализаторах типа зеркала относительная дисперсия растет с ростом угла входа частиц в поле. В двумерных (не зависящих от координаты Z) полях она связана с углом следующей формулой:

833 занных требований необходимо для тоrо, чтобы электрическое поле анали— затора имело плоскость симметрии, в которой лежит осевая траектория пучка и происходит дисперсия час;иц по энергии. В отсутствие плосП(аХ 1

d d BF 2cos e

rpe D — линейная дисперсия анализатора; Й вЂ” база прибора, равная расстоянию между источником и детектором заряженных частиц, отсчитываемому вдоль оси Z f. — энергия анализируемых частиц, Поэтому для получения большой дисперсии необходимо увеличить угол 8 . Вместе с тем, в прототипе величина угла 6, обеспечивающего острую фокусировку в плоскости дисперсии, однозначно задается конфигурацией электродов и составляет

49,7

В данном устройстве конфигурация поля в межэлектродном пространстве может варьироваться путем изменения числа частей электродов и размеров этих частей, а также путем подсоединения их к различным источникам питания. Такое устройство имеет много степеней свободы и дает возможность не только увеличить угол 6, а следовательно, повысить дисперсию анализатора, но и улучшить другие характеристики прибора, Так, например, если один из электродов является не сплошным, а выполнен из трех частей, то появляются две дополнительные степени свободы, связанные с возможностью выбора размера симметричных частей и потенциала на них, При разделении электрода на (2п+1) число частей получается 2п дополнительных степеней свободы в формировании поля, 10

Каждая дополнительная степень сво- 45 боды позволяет удовлетворить какомулибо дополнительному условию, нало— женному на оптические свойства анализатора, например, удовлетворить условию обращения в ноль одного ко- 50 эффициента аберрации. Число степеней свободы в предлагаемом анализаторе ограничено тем, что число частей в каждом электроде должно быть нечетным, плоскости симметрии элект- 55 родов и их частей должно совпадать, и симметричные части электрода долж— ны попарно подсоединяться к своему источнику питания. Выполнение укакости симметрии электрического поля осевая траектория перестает быть плоской, что приводит к смещению изображения (а следовательно, и выходной щели) относительно плоскости дисперсии, и существенно затруд— няет настройку. Кроме того, возникают дополнительные аберрации изображения, в результате чего уменьшает— ся удельная дисперсия и разрешающая способность прибора.

Дпя того, чтобы предлагаемое ус сройство было эффективным и создавало требуемое распределение поля в области прохождения пучка (вблизи плоскости симметрии) необходимо, чтобы расстояния между зазорамч и плоскостью симметрии были сравнимы с расстоянием между центральными частями противолежащих электродов и, следов ат ельно, меньше расстояния между входной и выходной

Расirp I различных вариантов анализаторов показал, что острая д:окусировка в плоскости дисперсии, осуществляемая одновременна с высококачественной пространственной фокусировкой обеспечивается в том случае, когда все части электрода„ противолежащего электроду„ с выходной щелью, подсоединены с одноименным полюсам источников.

Изобретение позволяет добиться существенного улучшения дисперсии и разрешающей способности предлагаемого анализатора по сравнению с прототипом, На фиг.1 изображено поперечное сечение предлагаемorî анализатора, электроды которого состоят из двух плоских пластин, разрезанных на части; на фиг.2 — сечение того же анализатора плоскостью симметрии; на фиг.3 показано поперечное сечение анализатора, образованного двумя частями круговых цилиндрических поверх— ностей, разрезанного на части; на фиг.4 — сечение анализатора, в виде кругового цилиндра.

Центральная часть 1 и две симметричные части 2 формируют один из электродов анализатора. Противолежа5 137 щий электрод также образован центральной частью 3 и двумя симметричными частями 4. Центральная часть

3 электрода подсоединена к источнику питания 5 так, что заряженные частицы отражаются от части электрода 3. На фиг.1 показана полярность источников, соответствующая анализу электродов. Симметричные части электродов 2 подсоединены к одному полюсу источника питания 6, а симметричные части 4 — к одному полюсу источника

7. Второй полюс источников 5, 6 и 7 соединен с частью электрода 1. На фиг.1 второй полюс источников 5, 6, 7, а также часть электрода 1 за— з емлены.

На фиг.2 изображено сечение того же анализатора плоскостью симметрии.

В данной к нкретной конструкции входная щель 8, так же как и выходная щель 9 расположены на центральной части 1. Входная щель может располагаться к на диафрагме (не показана), установленной перпендикулярно плоскости симметрии.

На фиг.3 показано поперечное сечение анализатора, образованного двумя частями круговых цилиндрических поверхностей ° Электрод 10 с выходной щелью (на фиг.3 не показана) не разрезан, Центральная часть

11 и две симметричные части 12 составляют противолежащий электрод.

Центральная часть электрода 11 подсоединена к одному полюсу источника 13 питания, симметричные части электрода 12 соединены с одноименным полюсом источника 14. Противоположные полюса источников 13 и 14 соединены с электродом 10 (на фиг.3 заземлены), Работа предлагаемого энергоанализатора дана на примере устройства, изображенного на фиг,1 и 2.

Пучок заряженных частиц, пройдя через входную щель 8 устройства, попадает в анализирующее поле и отражается от центральной части 3 противолежащего электрода. Если входная щель 8 расположена на той же части 1 электрода, что и выходная щель 9, то траектории заряженных часткц оказываются симметричными относительно точки поворота. Частицы различных энергий описывают в поле различающиеся траектории, поэтому при задан— ных потенциалах на электродах в вырасчет характеристик анализаторов, изображенных на фиг.! и 3. Расчет траекторий заряженных частиц в плоскости симметрии внутри акали15 затора может и оводкться го формуле

1ГФ, cos6d>

Z 2 = + ф, san О- у, о

Здесь псTåíöêÿë ф характеризует о L

mV o начальную скорос-ь 4 частиц (—— о е ф,) у, Z. — координаты входной щели; ф (у) — распределение потенциала в плоскости симметрии. Угол 6, 25 при кОтсрОм прОксхОдит фОкусирОвка первого к второго порядков в плсс— кости дисперсии, определялся кз условий (2) 1(к ) О (7 к- о) х, 30 Дg где Z к — к= îðäèíàòà пслсженкя детек— тора. Относ,-тельная дисперсия аналкзатора вычисляется по формуле (1).

Расчет проекций траекторий в гчоскс:.—

35 ти, перпендикулярной плоскости симметрии, и определение условий пространственной фокусировки производится путем численного интегркрсва40 ния на ЭВИ.

Для анализатора, изображенного на фиг.3, был разработан эскизный про— ект к рассчитаны его сгтическке характеристики. Расчет проводился для

45 следующих 3 нач ений г есметркческкх параметров: радиус кривизны электрода 10 равен R = 68 мм, радиус час— тей электрода 11 к 12 составляет

R = 30 мм, расстсянке между центра— мк кривизны 0 1 — 0 равно 82 мм, угловой размер электрода 11 cocT àâëÿет у = 80, расстояние между входной и выходной щелями, расположенными на электроде 10, равно и = 75 мм.

Прк работе аналкзатсра электрод

10, на котором расположены входная и выходная щели, заземлялся. Потенциалы на частях электрода 11 v 12 за— висят от энергии настройки анализ ато—

6833 о ходную щель 9 устройства попадают частицы определенной энергии. Симметричные части электродов 2 и 4, благодаря поданным на них дополнительным потенциалам, создают фокусирующее воздействие на пучок, а также увеличивают пространственное разделение пучков различных энергий.

В качестве примера можно привести

1376833 ра, т. е. от энергии частиц, пропускаемых выходной щельи. При энергии настройки, равной E = 100 эВ, на центральную часть электрода 11 пода5 ется потенциал, равный (— 90) В (при ан али з е электронов ), на симме тричные части электрода 12 — потенциал (-170) В. При анализе положительных ионов потенциалы меняют знаки. Потен- 10 циалы подаются или от отдельных выпрямителей или от одного выпрямителя через потенциометр. Во втором случае один конец поте нциоме тра з аз емлен, потенциал на симметричные части элект-15 рода 12 снимается с другого конца потенциометра (потенциал на центральную часть электрода 11 — с промежуточной точки). При снятии энергетического спектра заряженных частиц энергия настройки должна плавно меняться, при этом все потенциалы изменяются пропорционально энергии настройки.

В описанной конструкции угол 25 входа частиц, обеспечивающий острую фокусировку в плоскости симметрии, составляет 6= 58 . При этом относительная дисперсия анализатора равна

D/d = 1 8, что в полтора раза больше, 30 чем в прототипе, где D/d = 1,2, Разрешающая способность равна В. = 145 при ширинах входной и выходной щелей, равных S/d = 0,25 -10 и углах растВора пучка В дВух Взаимно перпен дикулярных направлениях, равных с = — 0,1 рад. В прототипе при тех же входных параметрах разрешаищая способность составляет R. = 100.

Был проведен расчет характеристик плоского анализ атора, изображенного на фиг.1. Электрод со щелями в данном конкретном примере не разрезан на части и заземлен. Ширина централь- 45 ной части 3 противолежащего электро— да выбрана равной d = 12 мм, расстояние между электродами 1 и 3 составляет h = 20 мм, ширина части электрода 4 равна 15 мм, расстояние между входной и выходной щелями, располо— женными на электроде 1, составляет

d = 33 мм. При энергии настройки, равной Е= 100 эВ, потенциал на центральной части 3 электрода равен (-83) В, потенциал на симметричных частях 4 составляет (-180) В. Угол входа пучка заряженных частиц, при котором происходит острая фокусировка в плоскости симметрии, равен 6=

59, При этом получены следующие значения дисперсии D и разрешающей способности: R:D/d = 1,9, R. = 150

Как видно из сравнения с прототипом, данная конструкция обеспечивает значительный выигрыш в параметрах, при этом она существенно более проста в изготовлении и юстировки. Дальнейшего улучшения параметров в этой конструкции можно достичь, разрезая на части электрод с выходной щелью и подавая на симметричные части дополнительный потенциал, как показано на фиг.1.

По сравнению с обычным плоским зеркалом, образованным двумя элект— родами, предлагаемое устройство позволяет создать существенно неоднородное поле, обеспечивающее фокусировку пучка не только в плоскости симметрии, но и в перпендикулярном направлении. Наличие пространственной фокусировки позволяет значительно повысить светосилу анализатора.

Устройство может быть осуществлено не только на основе двумерных конструкций, примеры которых даны на фиг ° 1-4, Возможно также использование конических электродов, разрезанных по образуюц|им. При этом поперечное сечение анализ атора сов падает, например с изображением на фиг.4,а в плоскости симметрии сечение представляет собой две прямь|е, исходящие из точки, являющейся вершиной конуса.

В этом случае. поле не является двумерным, а меняется также вдоль оси

Z, что обеспечивает дополнительные возможности повышения дисперсии.

Формул а изобретения

Энергоанализатор заряженных частиц, включающий два плоских, цилиндрических или конических электрода с выходной щелью на одном из них и с плоскостью симметрии, проходящей через входную и выходную щели, и источники питания электродов, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения дисперсии и разрешающей способности, по крайней мере один из электродов выполнен из нечетного числа частей, разделенных зазорами, плоскость симметрии кото9 137683 рых совпадает с плоскостью симметрии электродов, причем расстояние между зазорами и плоскостью симметрии меньше расстояния между входной и выходной щелями, симметричные части элект5

3 о родов гальванически соединены между собой, а все части электрода, гротиволежащего электроду с выходной щелью, подсоединены к полюсам источников одинаковой зарядности.

1376833

Составитель А. Нестерович

Техред М.Ходанич Корректор С. Шекмар

Редактор Л. Лашкова

Тираж 694

Подписное

Заказ 4725

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101