Электростатический анализатор пучков заряженных частиц

 

Изобретение касается энергетического анализа пучков заряженных частиц и может быть использовано для построения светосильных быстродействующих спектрографов. Целью изобретения является повышение экспрессности анализа и расширение функциональных возможностей. Поставленная цель достигается путем спрямления линии фокусов в направлении оси цилиндрических электродов и регистрации распределения заряженных частиц в режиме спектрографа как по энергии, так и по полярному углу вылета. Анализатор содержит источник 1 заряженных частиц, исследуемый образец 2, электроды сферической формы: внутренний 3, наружный 4, средний цилиндрический электрод 5, находящийся под потенциалом Земли и снабженный апертурными щелями 8 кольцевой формы, внутренний цилиндрический электрод 7, соосно расположенный с электродами 5 и 6, координатно-чувствительный детектор 9. Изобретение обеспечивает повышение (увеличение) экспрессности энергоуглового анализа с помощью системы из электростатического сферического и электростатического цилиндрического зеркал. 1 з.п.ф-лы. 3 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51) 4 Н Ol д 49/48

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И О(НРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н д BTOPCXQMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4317619/24-21 (22) 14.08.87 (46) 15.10.89. Бюл, )(- 38 (71) Институт ядерной физики

АН КазССР (72) В,В,Зашквара, Б.У.Ашимбаева и А.Ф.Былинкин (53) 6?1.384(088,8) (56) Зашквара В.В,, корчак Л.С,, Верменичев Б.!1, — Изв. AH КазССР, физ.-мат„сер.,1984, K ", с. 78-81.

Авторское свидетельство СССР

М - 683516» кл. Н Ol J 49 00, 1977, (54) ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР

ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ (57) Изобретение касается энергетического анализа пучков заряженных частиц и может быть использовано для построения светосильных быстродействующих спектрографов. Целью изобретения является повышение экспрессности анализа и расширение функ. циональных возможностей. Поставленная цель достигается путем спрямления линии фокусов в направлении оси цилиндрических электродов и регистрации распределения заряженных частиц в режиме спектрографа как по энергии, так и по полярному углу вылета, Анализатор содержит источник 1 заряженных частиц, исследуемый образец 2, электроды сферической фор()ы: внутренний 3, наружный 4, средний цилиндрический электрод 5, находящийся под потенциалом Земли и снабженный апертурными щелями 8 кольцевой формы, внутренний цилиндрический электрод 7, соосно расположенный с электродами 5 и 6, координатно-чувствительный детектор 9. Изобретение обеспечивает повышение (увеличение) экспрессности энергоуглового анализа с помощью системы из электростатического сферического и электростатического цилиндрического зеркал, I з,п, ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1515219

Изобретение относится к энергоугловому анализу пучков заряженных частиц и может быть использовано для построения светосильных 5 быстродействующих спектрографов, Изобретение решает задачу существенного увеличения экспрессности энергоуглового анализа с помощью системы иэ электростатических сферичес- 10 кого и цилиндрического зеркал, Целью изобретения является повышение экспрессности анализа и расширение функциональных возможностей путем спрямления линии фокусов в направлении оси цилиндрических электродов и регистрации распределения заряженных частиц в режиме спектрографа как по энергии, так и по полярному углу вь лета. 20

На фиг„.1-3 изображено предлагаемое устройство с различными типами фокусировки и расположением детектора.

Предлагаемый анализатор состоит из источника 1 заряженных частиц близкого к т6чечному, расположенного на поверхности исследуемого образца 2, лежащей на оси симметрии, электрического сферического зеркала, состоящего из двух центрированных на оси 30 симметрии электродов сферической формы: внутреннего 3 радиусом К я и наружного 4 радиусом 1 „, причем внутренний сферический электрод снабжен щелями для ввода и вывода пучка, которые покрыты высокопрозрачной металлической сеткой в виде сферических сегментов, цилиндрического зеркала, состоящего из среднего цилиндрического электрода 5 радиусом г, на- 40 ходящегося под потенциалом Земли и снабженного апертурными щелями кольцевой формы, затянутыми высокопрозрачной металлической сеткой, наружного цилиндрического электрода 6 радиусом г,, соосно электроду 5 и находящегося под потенциалом Б, внутреннего цилиндрического электрода 7 радиусом r, соосного электродам 5 и 6 и находящегося под потенциалом апертурных щелей 8 кольцевой формы, координатно-чувствительного детектора 9, имеющего приемную цилиндрическую поверхность радиусом

r. соосную электроду 3.

Анализатор работает следующим образом.

Пучок заряженных частиц, выходящий из источника 1 с раскрытием на угол 180 в плоскости, перпендикуо лярной оси симметрии, и с угловым ораскрытием 90 + и <а в аксиальной плоскости> поступает в сферическое зеркало, В результате отражения от поля зеркала в области внутреннего сфери .еского электрода 3 формируется кольцевое изображение А, которое является электронно-оптическим источником для цилиндрического зеркала. Параметры сферического зеркала удовлетворяют соотношениям, обеспечивающим угловую фокусировку второго порядка пучка заряженных частиц в ахроматическом режиме (продольная линейная дисперсия по энергии равна нулю) ° При прохождении цилиндрического : нализатора пучок испыты«ает и раз внешнее oò1àæåíèå от электростатического поля зеркала между электродами 5 и 6 и m раз внутреннее отражение от голя между электро t,àìè 6 и 7, Для одновременной регистрации интервала энергий необходимо совместить поверхность детектора с поверхностью фокусов, образованной вращением вокруг оси симметрии линии фокусов, Для решения этой задачи необходимо выбрать систему зеркал, в которой можно спрямить линию фокусов, чтобы приблизить ее к контуру детектора, имеющего либо цили дрическую поверхность, либо плоскую. Поэтому выбор параметров предлагаемого уст ройства осуществляется на основе следующих условий.

Условие угловой фокусировки первого порядка

ЗL где L — осевой пролет частиц; с — угол расходимости пучка в меридиональной плоскости.

Равенство 90О угла наклона осевой траектории на входе, что обеспечивает ахроматический режим сферического зеркала, Максимально допустимый разброс этого угла не должен превьппать 1

Равенство нулю тангенса угла наклона касательной к линии фокусов анализатора в точке пересечения ее с осевой траекторией пучка, Записав эти условия с учетом уравнений движения частиц в сферических и цилиндрических полях, получим:

5 1515?l

4+nP 0 +mP, 0, ) + Ь

4(nb +mb )

2 r< а= 8+P(1+2PQ); Ь=р (1+2PQ); g =е ) е coax; Р=-<,! — — 1n — -- sin o

) го!

<, 2 а, = 9,+Р< (! -2P, g < ); b, =P, (1-2Р,В,); 9 < =e ) е dx; P, =

sin oC!

+sin о

2Е 1-R«„/R„!+sin(k-х,)/cosx, (4) s 1n <<4 отражения Р=

-(nap+ma< P, )+2ctg eL(n(b+aP )+ 1 3 г I

+m(b< -а<Р, )J+ctgo4 ((1+ctg oc. ) Лгде R „и !< „- радиусы внутреннего 20 и наружного электродов сферического зеркала;

r, r,, г — радиусы среднего, О< наружного и внутреннего цилиндрических электродов; 25 х — угловая координата точки вхо< да осевой траектории в сферическое зеркало;

<х, — угол наклона осевой траектории на выходе из сферического зер. кала; и Š— заряд и кинетическая энергия анализируемых частиц;. отклоняющий потенциал сферического зеркала; и U — потенциалы, подаваемые

35 на наружный и внутренний электроды цилиндрического зеркала1 выраженная в долях r суммарная радиальная удаленность кольце- 40 вого 4окуса сферического зеркала и его изображения на выходе из анализатора от поверхности среднего цилиидрического электрода; п и m — соответственно число кас45 кадов внешнего и внутреннего отражений в цилиндрическом зеркале, Для улучшения разрешающей способности анализатора цилиндрическое зеркало с внутренним и внешним отражениями может бь<ть многокаскадным, а для одновременной регистрации энергоуглового распределения заряженных частиц в качестве детектора используется позиционно-чувствительный де55 тектор, Параметры внешнего и внутреннего

9 6

-2(naP+ma< Р, )+4 (1+ctg nl. ) (nb+mb )+

+Act< à(p

sinx

Ге х, P = q — — 1n —. sin Ы удовлетворя< ЧБZ г2 ют соотношениям (1) и (2), выражающим условия угловой фокусировки первого порядка и спрямления линии фокусов (Л = Л,+Л ) . Таким образом, на выходе из анализатора пучки различной энергии фокусируются на цилиндрической поверхности детектора 9 с различной удаленностью от источника 1 (точки В и С), На фиг,1 сплошными линиями очерчен пучок заряженных частиц, имеющих кинетическую энергию Е, штриховой линией обозначена осевая траектория пучка с большей кинетической энергией F. ) Е . С помощью координатно-чувствительного детектора 9 в форме цилиндра или узкой полоски (если линия спрямлена вдоль оси симметрии г =О) одновременно регистрируется широкий интервал энергетического распределения, Разрешение по полярному углу осуществляется с помощью координатночувствительного детектора с цилиндрической поверхностью, На входе в анализатор сферическое зеркало отбирает пучок заряженных частиц, выходящих иэ источника 1 с угловым раскрытием 180 в поперечной плоскости (фиг,1, внизу слева), В этом пучке дважды представлено полное распрееление по полярному углу выхода

8 о г 0 до 90 + 1, Траектории пучKB B = const лежат в аксиальной плоскости 9 = сопзС при прохождении всех каскадов отражения анализатора и при встрече с цилиндрической по-. верхностью координатно-чувствительного детектора 9, Таким образом, Z u

<<< координаты попадания заряженной частицы на поверхность детектора 9, характеризуют кинетическую энергию

1515219

А> э э — 4 (nb+mb! ((nap+ma Р )-2(nP9+mP,9 ) 1.п Ь+аР )+mob a<Ð,Д

2(n(b+aÐý) +m(b, -à, P, ) f+naP+ma, P (5) На фиг.1 представлена схема энерго-35 анализатора из двух согласованных зеркал (п=ш=1), характеризующаяся следующими параметрами, рассчитанными в соответствии с (5): ц = 0; о =39,45

Р=О,56702; Р,=0,9; L=4,3109ã ; ли- 40 нейная дисперсия по энергии А =

=3,6149 r . Штриховыми линиями изображены осевые траектории пучков, отличающиеся по энс ргии на+10% от энергии основного пучка. Здесь линия 45 фокусов спрямлена вдоль поверхности среднего цилиндрического электрода, ее хорошо аппроксимирует полином четвертой степени Е =0,04919u + п

+0,00646 3 -0,00323 . Качество спрямления хорошее. Координатно-чувствительный детектор 9 в виде части кольца облегчает участок поверхнос ти г =г, =const, регистрируемые пучки различной энергии фокусируются на внутренней поверхнос.ти детектора.

На фиг.3 показана схема энергоаналиэатора, состоящего иэ пяти каскадон отражения: п=3; m=2, Ее параметчастицы F. и полярный угол g „ под которым произошла эмиссия ее с поверхности образца 2. В регистрируемом спектре представлены распределения частиц по двум измеряемым величинам — энергии F, и полярному углу вылета их из поверхности мишени 6

Для примера в таблице приведены данные расчета параметров трех схем фокусировки в режиме спектрографа согласно условиям (1)-(4), Выбран вариант расположения кольцевого фокуса сферического зсркала на поверхности среднего цилиндрического элеко о трода 5; =0; М =39; х, =45; S=

=1 ° 9119 ° вн râ =-I ° 8179; п=п =1.

0,75 0,4117 0,2822 4,2464 2,8448

1,00 0,6104 0,5234 5,5495 3,9239

1,20 0,6794 0,7238 7,3312 5,3970

Параметр 6 принимает три значения: 0,75; 1,00; 1,25, В первом случае фокусировка пучков различной

10 !

25 нергии осуществляется вдоль наруж ной цилиндрической поверхности координатно-чувствительного детектора 9 (фиг.1). Ro втором случае линия фокусов спрямлена вдоль оси симметрии и координатный детектор может быть плоским, В третьем случае фокусировкаа пучка осуществляется за осью ца внутренней цилиндрической по верxиocти детектора 9, А g B таблице коэффициент линейной дисперсии по энергии, выраженный в единицах г

Можно упростить схему анализатора, если отказаться от размещения сферического зеркала на входе анализирующей системы. В этих условиях мы сохраним режим спектрографа для энергоанализа, — однако возможности углового анализа существенно ухудшаются. Соотношения (1)-(4) также упрощаются: отпадает формула (4), равно нулю второе слагаемое в формуле

i,2), так как нет сферического зеркала„ Исключив из (1) и (2) ctg 0(. придем к следу| щему выражению для условия спрямления линии фокусов в системе иэ цилиндрических зеркал с внеш. ним и внутренним отражением пучка . ры следующие: 5 =I; о =31 737 ; Р=0,4:

Р, =0,7790; L=10,402; Az=7,190 гд, Характерная особенность схемы — линия фокусов спрямлена вдоль оси симметрии, что позволяет использовать плоскии координатно-чувствительный детектор, Угол раскрытия пучка в о азимутальной плоскости 180 . Штриховой линией на фиг.3 обозначена осевая траектория пучка с энергией

) на 10% превышающей энергию основного .тучка. В схемах на фиг,2 и 3 электронно-оптическим источником является кольцевая щель Я, расположенная на поверхности среднего цилиндрического электрода 5, Эмиттером является плос.<ий кружок, помещенный в окрестности оси симметрии (фиг,2,3), или тонкая полоска, вытянутая вдоль оси симметрии, ф о р м у л а и э о б р е т е н и я

1, Электростатический анализатор внучков заряженных частиц, содержа9 151 щий источник и детектор заряженных частиц, расположенные между источником и детектором цилиндрическое зеркало, содержащее полый наружный цилиндрический электрод, расположенный внутри него и коаксиально с ним заземленный полый средний цилиндрический электрод, имеющий кольцеобразные щели по периметру, а также внутренний цилиндрический электрод, расположенный в среднем цилиндрическом электроде и коаксиально с ним, и источники питания, электрически соединенные с внешним и внутренним цилиндрическими электродами так, что их полярность совпадает со знаком заряда анализируемых частиц, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повьппения экспрессности анализа и расширения функциональных возможностей путем спрямления линии фокусов в направлении оси цилиндрических электродов и регистрации распределения заряженных частиц в режиме спектрографа как по энергии, так и по полярному углу вылета, между источником и цилиндрическим зер5219 1О калом дополнительно введены сферическое зеркало, состоящее из двух сферических электродов, общий центр

5 которых расположен на оси цилиндрических электродов, дополнительный источник питания, электрически соединенный со сферическими электродами так, что полярность наружного сфе1р рического электрода совпадает со знаком анализируемых заряженных частиц, причем внутренний сферический электрод имеет щели на входе и на выходе пучка заряженных частиц, ось

15. пучка на входе в сферическое зеркало ортогональна оси цилиндрических электродов, выходная шель во внутоеннем сферическом электроде расположена от оси цилиндрических элек20 тродов на расстоянии, большем радиуса среднего цилиндрического электрода, причем детектор выполнен позиционно-чувствительным.

25 2, Анализатор по п. 1, о т л иa la H É цо-чувствительный детектор имеет форму цилиндра или его части.