Электростатический спектрометр для энергетического и углового анализа заряженных частиц

 

Изобретение может быть использовано для исследования плазмы. поверхности вещества, процессов электронных и атомных столкновений. Электростатический спектрометр (ЭСС) для энергетического и углового анализа заряженных частиц выполнен в виде двух электродов, имеющих форму соосньпс конусов с одинаковыми углами раствора и разнесенными вершинами. Части 1-3 образуют внешний электрод. Внутренний электрод 4 имеет входную и выходную щели 5 -и 6 соответственно. Исследуемьй образец 7 располагают на оси симметрии системы. Детектор 8 имеет форму кольца с центром на оси ЭСС. Части 1-3 имеют автономные источники 9-11 питания соответственно. ЭСС позволяет исследовать азимутальные спектры с высокой дисперсией и . разрешающей способностью. 1 ил. 1 табл. Ф С (;о СП о feo

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (51) 4 Н Ol J 49 44

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4083035/24-21 (22) 10.07.86 (46) 15,09.89. Бюл, Р 34 (71) Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе (72) Л.А,Баранова, P.À.Áóáëÿåâ, Г.Н.Дьякова и С.Я.Явор (53) 621 ° 384,6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

И 1150680, кл. H 01 J 49/44, 1985.

Афанасьев В.П., Явор С.Я. Электростатические энергоанализаторы для

1Ф пучков заряженных частиц. М.: Наука", 1978, с. 97-117.

Engelhardt Н.А., Liebl Н., Вас1с W.

Menze1 D ° Verb. Dhsh., Phys. Ges (VI), 15, 731 (1980).

Engelhardt Н,А, ВИс1 W. Menzel D.z

Liebl Н. Novel chargeal particle analyzer for momentum determination in

multichanneling mode: Design aspects

and electron tion optical properties.

Rev. Sci. Instr., 1981, v..52, Р 6, р. 835-839.

Brewer D.F ° С. Newell W.R., Smith А.С.Н. А coaxial cone electrostatic velocity analyser. J. Phys.

Е: Sci. Instr. 1980, ч. 13, Р 1, р. 114-127.

Авторское свидетельство СССР

11 143479, кл. 21, 1961.

Хаттер P. Отклонение электронных пучков — В кн.: Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений. М.: "Мир", 1978, т. l с..221—

226, (54) ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМ?ТР

ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И УГЛОВОГО АНАЛИЗА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ (57) Изобретение может быть использовано для исследования плазмы, „„SU„„f 395034

2 поверхности вещества, процессов электронных и атомных столкновений.

Электростатический спектрометр (ЭСС) для энергетического и углового анализа заряженных частиц выполнен в виде двух электродов, имеющих форму соосных конусов с одинаковыми углами раствора и разнесенными вершинами.

Части 1-3 образуют внешний электрод.

Внутренний электрод 4 имеет входную и выходную щели 5 и 6 соответственно.

Исследуемый образец 7 располагают на оси симметрии системы. Детектор 8 имеет форму кольца с центром на оси

ЭСС. Части 1-3 имеют автономные источники 9-11 питания соответственно.

ЭСС позволяет исследовать азимутальные спектры с высокой дисперсией и разрешающей способностью. 1 ил.

1 табл.

1395034

Изобретение относится к приборам

;у я анализа заряженных частиц по энергии и углу и может применяться для исследования плазмы, поверхности вещества, процессов электронных и

5 атомных столкновений и т.д.

Целью изобретения является увеличение дисперсии и разрешающей способности электростатического спектромет- 10 ра для энергетического и углового анализа заряженных частиц за счет изменения числа частей электродов спектрометра и размеров этих частей, а также путем подсоединения их к отдельным источникам питания.

На чертеже изображено поперечное сечение одного из возможных вариантов спектрометра.

Спектрометр выполнен в виде двух электродов, имеющих форму, например, соосных конусов с одинаковыми углами раствора и разнесенными вершинами.

Части I, 2, 3 образуют внешний электрод. Внутренний электрод 4 (показан вариант неразрезанного внутреннего электрода) снабжен входной 5 и выходной 6 кольцевыми щелями. Исследуемый образец 7 расположен на оси симметрии системы. Детектор 8 имеет форму кольца с центром на оси спектрометра.

Части 1, 2, 3 внешнего электрода соединены с отрицательным полюсом источников питания 9, 10, 11 соответственно. Внутренний электрод 4 должен быть соединен с положительным полюсом

35 источников питания 9, 10, 11. Второй полюс источников 9, 10 .11 и внутренний электрод 4 заземлены. Указанная полярность источников соответствует

40 анализу электронов. При анализе положительно заряженных частиц все части внешнего электрода соединяются с положительными полюсами источников, а внут реннего — с отрицательными, Показаны также: 1 — длина части 2 внешнего элек. трода, 11 — расстояние между электродами, d — расстояние между входной 5 и выходной 6 щелями (база), 2 Р- полный угол раствора электродов спектро50 метра.

Работа предлагаемого спектрометра на примере изображенного устройства осуществляется следующим образом.

Испускаемый образцом 7 дисковый пучок заряженных частиц проходит через

55 входную щель 5, попадает в анализирующее поле спектрометра, где отражается от внешнего электрода и диспергирует по энергии. Частицы с выделенным значением энергии проходят через выходную щель б и фокусируются на детекторе 8 ° Таким образом осуществляется анализ bio энергии. Вследствие наличия осевой симметрии частицы, выходящие из образца 7 в плоскости Z=

=const под разными углами, попадают в различные точки детектора и, таким образом, осуществляется анализ заряженных частиц по углам вылета. При соединении частей внешнего электрода с отдельными источниками питания и установлении на них соответствующих потенциалов распределение поля в межэлектродном пространстве спектрометра существенно перестраивается, что позволяет добиться значительного увеличения дисперсии и разрешающей способности.

Для уменьшения размера детектора осевые траектории пучка после прохождения выходной щели должны быть направлены к оси спектрометра или, в предельном случае, параллельны ей.

Поскольку пучок выходит из образца перпендикулярно оси, то угол поворота его в электрическом поле должен о

Г быть больше или равен 90 . Отсюда следует, что угол входа пучка в поле

9 45, а значит, угол,полураствора конуса f3 не должен превышать 45 о

Были исследованы спектрометры с углом полураствора конуса от 30 до

40 . В таблице приведены параметры о ряда рассчитанных конструкций. Для сравнения, в первой строке таблицы даны характеристики прототипа. Здесь введены следующие обозначения: е— заряд частицы, E — ее энергия, D— линейная дисперсия спектрометра, С— коэффициент аберрации второго порядка относительно угла раствора пучка

2, R — разрешающая способность, Ч

V, V - потенциалы, поданные на части 1, 2, 3 внешнего электрода от источников питания 9, 10, 11, Разрешающая способность вычислялась при ширинах входной и выходной щелей,равных 8 0,25 ° 10 d,и углах раствора пучка, равных 2cC=O 1 рад, по известной формуле R=D/(2ß+Ññ(). Расчеты проводились для симметричной подачи потенциалов: V„=V и симметричном расположении кольцевых зазоров относительно входной 5 и выходной 6 щелей.

Сравнение параметров предлагаемого спектра с параметрами прототипа поS 139503 казывает, что при угле полураствора конуса Р =38 линейная дисперсия возрастает в l 2-1 5 раза. При этом коэффициент аберрации С сохраняет тот же порядок величины, что и в прототи5 пе. Удельная дисперсия прибора D/Ñ увеличивается примерно на 30-357., рост разрешающей способности достигает 407..

Если угол полураствора конуса сосо тавляет 33, увеличения линейной дисперсии не происходит, однако в два раза падает коэффициент аберрации и соответственно вдвое возвастает t5 удельная дисперсия, При выбранных размерах щелей и. угле раствора пучка это приводит к возрастанию разрешающей способности на 40Е. Очевидно, что последний вариант имеет преимуще- 20 ства перед предыдущими в тех случаях, когда угол раствора пучка 2оьвозрастает, а ширины щелей S уменьшаются.

Расстояние от образца до вершины электрода 4 может составлять например 25

16 мм, расстояние между щелями d

72 мм,расстояние между электродами

Ь20 мм, длина 1 части электрода 2 равна 40 мм, угол полураствора конуса Р =38 30

При работе спектрометра электрод

4, на котором расположены входная и выходная щели, заземляется. Потенциалы на частях электрода l, 2 и 3 зависят от энергии настройки спектрометра, т.е. энергии частиц, пропускаемых выходной щелью. При энергии настройки, равной с. =100 эВ, на части электрода 1 и 3 подается потенциал 40

V =7 = -100 В (при анализе электронов). На часть электрода 2 подается потенциал 1 -30 В, При анализе положительньгс ионов потенциалы V V< и V меняют знаки. Указанные потея- 45 циалы могут подаваться не только от отдельных источников питания, но и от одного источника через потенциометр. Во втором случае один конец потенциометра заземпен, потенциалы

V, и V снимаются с другого конца потенциометра, потенциал V — с промежуточной точки. При снятии энергетического спектра заряженных частиц энергия настройки должна плавно ме- 55 няться, при этом все потенциалы должны варьироваться таким образом, чтобы отношение V

В описанной конструкции угол входа частиц 9, обеспечивающий фокусировку заряженных частиц на выходной о щели, составляет 9 =52 . При этом относительная дисперсия спектрометра равна D/d=l 5, что в 1,4 раза больше, чем в прототипе. Разрешающая способность возрастает по сравнению с прототипом на 337..

Имеется возможность дальнейшего повышения параметров спектрометра при увеличении числа частей, на которые разделяются как внешний, так и внутренний электроды, и подсоединении их к,соответствующим источникам питания.

Устройство может быть осуществлено также на основе двух конических электродов с различными углами при вершинах, в частности, в этом случае вершины конусов могут быть совмещены.

Вариация отношения углов при вершинах создает дополнительную степень свободы в формировании поля спектрометра, а, следовательно, дополнительную воэможность повышения его параметров.

Можно использовать осесимметричные электроды различной формы, в том числе цилиндрической.

Бып проведен расчет энергоанализатора, образованного двумя соосными цилиндрическими электродами, радиусы которых относятся как К /R<=

=2,5. Входная и выходная щели расположены на внутреннем электроде, расстояние между ними составляет d-2,0 R Внешний электрод составлен из трех частей, подсоединенных к трем отдельным источникам питания. Ширина центральной части равна 1=1,0 Rl.

Уменьшение потенциалов и V подаваемых на вторую и третью по ходу пучка части внешнего электрода, по . сравнению с потенциалом V подаваемым на первую часть, позволяет повысить дисперсию и разрешающую способность спектрометра ° Если отношение укаэанных потенциалов V>/V и U /V лежит в пределах 0,2-1,0, происходит увеличение дисперсии и разрешающей способности в 1,2-1,4 раза.

Достоинством спектрометра с цилиндрическими электродами являются более простая конструкция и меньшие поперечные размеры. Однако, такой спектрометр не может быть применен для исследования дисковых пучков, т.е. для анализа спектров по полярному углу. Он позволяет исследовать

1395034 только азимутальные спектры, так как анализирует пучки конической формы.

Таким образом, предлагаемая конструкция спектрометра для энергетического и углового анализа заряженных частиц обеспечивает, по сравне— нию с прототипом, при одинаковых габаритах, повышение дисперсии и разрешающей способности по крайней мере на 30-40Х.

Ф

Формула изобретения

Основные характеристики прототипа и ряда вариантов спектрометра

I З 8 f/h eVI V< и D С ?) Я V1 Ь ! с

Конструкция

2,0

3,8

3,6

3,2

3,9

45 45

38 52

38 52

38 52

33 57

1,0 1,0

1,0 0,25

li0 0i30

l 0 0,40

1,0 0,40

1,08 2,23 0,48 102

1,3 2,0 0,65 130

1,5 2,4 0,62 136

1 6 2 ° 5 Оэ64 143

1,1 1,1 1,0 142

Известная

Предлагаемая

То же

2,0

2,0

2 0

2,5

Составитель A.Íåñòåðîâè÷

Редактор Е.Месропова Техред Л.Сердюкова Корректор М.Пожо

Заказ 6799 Тираж 694 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðîä, ул. Гагарина,101

Электростатический спектрометр для энергетического и углового анализа заряженных частиц, содержащий два соосных осесимметричных электрода, один из которых расположен внутри другого и имеет входную и выходную щели для прохождения частиц, а также источник 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 не менее чем из двух частей, разделенных кольцевыми зазорами, расположенными на внутреннем электроде между входной и выходной щелями и/или на внешнем электроде между нормальными проекциями входной и выходной щелей на внешний электрод, причем в устройство введены дополнительные автономные источники питания и части внешнего или внутреннего составного электрода подсоединены к одноименным полюсам автономных источни" ков питания.