Электростатический энергоанализатор заряженных частиц

 

Изобретение относится к спектрометрам заряженных частиц, в частности к дисперсионным электростатическим анализаторам по энергии, и может использоваться в эмиссионной электронике, в электронной спектроскопии для химического анализа, в растровой электронной микроскопии, при исследовании поверхности твердого тела методами вторичноионной масс-спектрометрии, при исследовании в области физики атомных столкновений и т.д. Целью изобретения является одновременное увеличение точности и чувствительности энергоанализа. Сущностью ия является выполнение двух электродов параллельными и плоскими, а третьего в виде полого полуцилиндра, ось которого параллельна плоскостям двух других электродов. При выполнении указанных в описании геометрических соотношений достигается увеличение относительной и удельной дисперсией, что, в свою очередь, увеличивает разрешающую способность и светосилу. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 J 49/44, 49/48

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (21) 4382594/24-21 (22) 29.02,88 (46) 07.10.90, Бюл. N 37 (71) Физико-технический институт им, А.Ф.Иоффе (72) Т.Я.Фишкова и И,А.Корищ (53) 621.384 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1120870,. кл. Н 01 J 49/48, 04,05.83.

Патент США N. 4367406, кл. 250-305, 04,01.83. (54) ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ (57) Изобретение относится к спектромет: рам заряженных частиц, в частности к дисперсионным электростатическим анализаторам по энергии, и может использоваться в эмиссионной электронике, в

Изобретение относится к спектрометрам элементарных частиц и может быть использовано при анализе и фильтрации заряженных частиц по энергии.

Целью изобретения является одновременное увеличение точности и чувствительности энергоанализа путем увеличения относительной и удельной дисперсий.

На фиг.1 приведена схема предлагаемо го энергоанализатора с ходом траекторий пучка заряженных частиц в плоскости дисперсии (XZ) и в вертикальной плоскости (YZ); на фиг.2 — электроды, поперечное сечение плоскостью ХУ, Энергоанализатор состоит из источника 1 заряженных частиц, электродов 2 — 4, формирующих электростатическое поле, системы 5 электрического питания к ним и

„„ЯЦ„„1597967 А1 электронной спектроскопии для химического анализа, в растровой электронной микроскопии, при исследовании поверхности твердого тела методами вторично-ионной масс-спектрометрии, при исследовании в области физики атомных столкновений и т.д. Целью изобретения является одновременное увеличение точности и чувствительности энергоанализа.

Сущностью изобретения является выполнение двух электродов параллельными плоскими, а третьего в виде полого полуцилиндра, ось которого параллельна плоскостям двух других электродов. При выполнении указанных в описании геометрических соотношений достигается увеличение относительной и удельной дисперсий, что, в свою очередь, увеличивает разрешающую способность и светосилу. 2 ил„2 табл. приемника 6 заряженных частиц. Электроды 2 и 3 выполнены плоскими, электрод 4 имеет форму полого цилиндра, усеченного Q1 плоскостью вдоль оси. Ось электрода 4 параллельна плоскостям электродов 2 и 3. На фиг.1 показаны такЖе траектории 7 пучка ) заряженных частиц, проходящих через «р энергоанализатор.

Энергоанализатор работает следующим образом.

Из источника 1, ось которого расположена под углом 0 к границе поля, выходит пучок заряженных частиц, который через щель в электроде 2 попадает в замедляющее электростатическое поде. образованное в пространстве между плоскими электродами 2 и 3 за счет подачи на них от системы 5 питания потенциалов V1 и Vz.

1597967

Пройдя этот участок, пучок заряженных частиц через щель в электроде 3 попадает в замедляющее поле, образованное между . плоским электродом 3 и цилиндрическим электродом 4, на который подается от сис- 5 темы 5 питания потенциал Чз.

В результате тормозящего действия поля пучок заряженных частиц меняет направление движения и далее летит зеркально-симметрично относительно средней 10 плоскости, проходящей через точку поворота траектории. В указанном электростатическом поле происходит разделение пучка по энергии и одновременно пространственная фокусировка по углу так, что при заданных 15 величинах потенциалов на электродах частицы одинаковой энергии попадают в приемник 6, расположенный симметрично источнику 1 относительно средней плоскости анализатора. Выполнение двух электро- 20 дов в виде плоскопараллельных пластин, а третьего — в виде части цилиндра, обращеннаго к ним своей вогнутостью, позволяет получить два участка с различными электростатическими полями. на первом по ходу 25 пучка участке поле однородно, на втором имеет вид

Ех (Чз Чг)

1 +(Х)г (У)г а а

35

Ey = — — (Чз — Чг) 4 а b

Х Y а а

40 где е = ер р„е);

Ь = — +arctg();

=X р —,Г

2 а г. — радиус электрода цилиндрической формы; 50 р — максимальное расстояние по нормали от второго плоского электрода до третьего электрода.

Тормозящее поле (1) обеспечивает зеркальный режим работы анализатора с пра- 55 странственной фокусировкой по углу раствора пучка при одновременной фокусировке второго порядка в плоскости дисперсии. Первый по ходу пучка участок между с

1+(— ) -(— ) j +2(— — ) г У212 Х Уг

8 а ) а а плоскими электродами с однородным полем заряженные частицы преодолевают на пролет, что обеспечивает иной знак угловых аберраций по сравнению с зеркальным ходом траектории на втором участке между плоским электродом и электродам цилиндрической формы, тем самым достигается коррекция угловых аберраций третьего порядка, Конкретные геометрические и электрические параметры, обеспечивающие достижение высокой относительной и удельной дисперсий энергоанализатора, получают расчетным путем, При относительном расстоянии между плоскими электродами, меняющемся в пределах 0,12< — 1е55, и о а начальном угле входа центральной траектории пучка в пределах 54О< 0< 65 расстояние между источником и приемником мало меняется и равно L = (4,8 — 4,9) . а, При этом . расстояние по нормали от второго плоского электрода до электрода цилиндрической формы радиуса г может меняться в пределах р =(0,6 — 1,6)гдля каждого d и 0.

Тормозящая пучок заряженных частиц разность потенциалов между плоскими электродами не зависит от р и лежит в преЧг — V> делах 0,35< 0,66, в то время как

Ф разность потенциалов между вторым плоским электродом и электродом цилиндрической формы зависит от геометрических параметров анализатора а и Ь и разности потенциалов на первом участке, следующим

ЧЗ вЂ” V2 образом; = 0,41Ь (где Ф вЂ” ус Ф вЂ” (v — Ч1) коряющий потенциал).

Выход за указанные величины геометрических и электрических параметров npud водит к следующему. При — ) 1,55, что а соответствует 0 > 65О, для осуществления фокусировки пучка источник и приемник

5 должны располагаться в поле анализатора, так как h < О, что практического интереса не представляет, так как приводит к искажению электростатического поля. При — (0,12, что о соответствует 0 < 54О, не существует режимов, при которых осуществлялась бы фокусировка третьего порядка, в частности при d = 0 (двухэлектродный энергоаналиЧг — Чь затор) имеем при 0= 49,6

Ф

-0431Ь: Сг = 0: Сз =-5 7 а.

Несоблюдение расстояния между источником и приемником, т.е. при L «4,8а или

L > 4,9а, при указанных 0 и d приводит к

1597967 щч 9 с 0 сову

55 непопаданию пучка в анализатор, а именно в первую по ходу пучка щель в плоском электроде, При расстоянии между вторым плоским и цилиндрическим электродами р < 0,6 r пучок заряженных частиц еще до своего поворота попадает на цилиндрический электрод (величина (Xva c d). При р>1,6 r ширина плоских электродов (их протяженность в направлении оси Y) становится меньше, чем максимальное расстояние между ними, равное смаке =1,5 r, а это недопустимо, так как сильно ухудшает однородность поля на первом участке.

Выход за величины разностей потенциалов между электродами на первом и втором участках, имеющих между собой строго определенную связь, не позволяет провести пучок от источника до приемника. При

Чг — Vt \/г — V)

<0,35 и ) 0,66 пучок заряф женных частиц на первом участке отклонится меньше или больше, чем это необходимо для попадания в щель во втором плоском электроде, при /з — Vz меньше, или больше, чем (/г 1)

0,41Ь, пучок заряженных частиц на втором участке изменит направление движения раньше или позже и не попадает в выходную щель анализатора.

При заданной связи между указанными геометрическими и электрическими параметрами, которая дается табл.1 и 2, относительная дисперсия D< меняется в пределах

1,5 — 2,7, что в 1,7 — 3,2 раза больше, чем у известного устройства, в то же время удельная дисперсия, являющаяся мерой разрешающей способности, предлагаемого меняется в пределах 0,28 — 0,11, что в 5,4—

2,1 раза больше, чем у известного.

Расчет электронно-оптических параметров трехэлектродного энергоанализатора проведен на ЭВМ путем решения системы дифференциальных уравнений для проекции траектории пучка заряженныхчастиц на горизонтальную XOZ (плоскость дисперсии) и вертикальную YOZ плоскости, причем связь параметров нэ входе во вто. рую область с начальными условиями на входе в первую область следующая:

zi вал 20cosó ., г где.Ои V — углы наклона главной траектории к продольной оси на входе в первую и вторую области поля в плоскости дисперсии

X0Z;

2 у — угол раствора пучка в вертикальной плоскости XY (фиг.1);

5 d q — расстояние между плоскопараллельными электродами и разность потенциалов между ними, отнесенная к начальному ускоряющему потенциалу;

21 — расстояние вдоль продольной оси

10 между входом и выходом на первом участке центральной траектории пучка.

В плоскости дисперсии дифференциальное уравнение один раз интегрируется, а расстояние между источником и приемни15 ком записывается в виде определенного интеграла. Расстояние по нормали от источника (приемника) до входа в поле h (первый свободный параметр) определяется из условия фокусировки по углу первого по20 рядка в плоскости дисперсии — = О. Три свободных параметра

Д)

До y=o

Чз — Чг

0, q u t = — выбираются из условия ф

25 обеспечения фокусировки второго и третьего порядков в плоскости дисперсии при одновременной фокусировке в вертикальной плоскости. Пятый свободный параметр d позволяет при соблюдении указанных условий

30 варьировать угол ввода пучка в анализатор, влияя тем самым на относительную и удельную дисперсии.

В табл,1 сведены результаты расчетов основных геометрических и электрических

35 параметров предлагаемого трехэлектродного энергоанализатора, обеспечивающиефокусировку пучка по углу до третьего порядка включительно (Ci = Сг = Сз = О) в плоскости дисперсии и одновременно вер40 тикальную фокусировку. Все геометрические па аметры в единицах а = p (2r — p), электРические в единицах

Ь = — + arctg (— ), величины которых вЛ р — 2

2 а

45 широких пределах изменения параметра цилиндрического электрода р/r даны в табл.2.

В табл.1 и 2 представлены электрические параметры: электрические параметры:

50 Чг — V1 t Чз — V2 р— ф 1 — q ф геометрические d — расстояние между плоскими электродами; h — расстояние от источника (приемника) до края поля; XMa c— максимальное удаление центральной траектории пучка от оси анализатора (координата точки поворота); L — расстояние между источником и приемником; D — линейная дисперсия анализатора по энергии; С4 — ко1597967 эффициент угловой аберрации четвертого

D порядка; Ро= т- — относительная дисперсия

0 по энергии; д = — —. удельная дисперсия

С4Q 5 по энергии, где +a — угол раствора пучка в плоскости дисперсии, Формула изобретения

Электростатический энергоанализатор 10 заряженных частиц, содержащий три электрода, два из которых снабжены отверстиями для прохода частиц, а третий выполнен вогнутой цилиндрической поверхностью, обращенной к двум другим электродам, систему электрического питания, а также расположенные симметрично относительно средней плоскости энергоаналиэатора источник и приемник заряженных частиц, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью 20 одновременного увеличения точности и чувствительности энергоанализа путем увеличения относительной и удельной дисперсий, два электрода выполнены плоскими, третий электрод выполнен в виде полого цилиндра, усеченного плоскостью, параллельной плоским электродам, электроды установлены по одну сторону от источника и приемника заряженных частиц, при этом третий электрод установлен с наружной стороны от плоскопараллельнь х электродов по отношению к источнику и приемнику заряженных частиц, причем расстояние б (м) между плоскопараллел ьными электродам/ находится в пределах 0,12 а < d <1,55 а, расстояние L(M) между источником и приемником заряженных частиц находится в пределах

4,8 а < L < 4,9, а плоскопараллельные электроды образуют с векторами скоростей частиц на входе энергоанализатора угол 0 (рад), находящийся в пределах 0,94 <0 <

1,14, максимальное расстояние от вогнутой цилиндрической поверхности третьего электрода до ближайшего к нему плоского электрода по нормали к нему р (м) лежит в . иределах 0,6г < р< 1,6г, где r — радиус цилиндрической пове хности третьего электрода, м;а = р(2г — р), м.

1597967

1597967

Составитель А.Меньшиков

Техред М.Моргентал Корректор М.Самборская

Редактор И.Шулла

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

Заказ 3061 Тираж 398 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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