Электронный магнитный спектрометр

Изобретение относится к области исследования и анализа материалов радиационными методами и может быть применено для диагностики структуры и состава поверхности и приповерхностных слоев твердых и жидких тел. Электронный магнитный спектрометр содержит вакуумную камеру, энергоанализатор в виде круговых электрических контуров, щелевую диафрагму и детектор электронов. Электрические контуры энергоанализатора выполнены с возможностью создания в вакуумной камере магнитного поля, зависящего от радиуса ρ орбиты электронов в соответствии с выражением Н˜ρ^-α, где Н - напряженность магнитного поля, α=0,62-0,76. Кроме того, щелевая диафрагма и детектор электронов выполнены с возможностью перемещения в плоскости поперечного сечения энергоанализатора и фиксации в заданном положении. Технический результат: упрощение устройства, снижение его габаритов и веса, расширение функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области исследования и анализа материалов радиационными методами и может быть применено для диагностики структуры и состава поверхности и приповерхностных слоев твердых и жидких тел.

Известны электронные спектрометры для измерения и анализа энергетического спектра электронов, испускаемых поверхностью твердого тела под действием тех или иных возбуждающих факторов, например рентгеновского излучения, электронного или ионного пучка. Они содержат энергоанализатор, в котором под воздействием электростатического или магнитного полей происходит разделение электронов по энергиям и фокусировка пучков электронов с одинаковой энергией на входную щель детектора.

Широко известны электронные спектрометры с различными видами электростатических энергоанализаторов [1-3]. Один из недостатков данного вида спектрометров связан с тем, что разделение электронов по энергиям происходит непосредственно внутри фокусирующих электродов. Это препятствует проведению различных технологических воздействий (например, нагрев, охлаждение) на объект в процессе исследования без ухудшения рабочих характеристик прибора (разрешение, светосила). Кроме того, в электростатических энергоанализаторах отсутствует фокусирующая плоскость, что препятствует использованию многоанодного детектора, позволяющего при измерении одновременно охватывать значительную энергетическую область и тем самым сокращать время получения спектров на несколько порядков. Эти приборы имеют низкую контрастность спектров из-за невозможности использования апертурных диафрагм определенной формы, позволяющих отсекать отраженные и другие шумовые электроны.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является электронный магнитный спектрометр [4], содержащий кольцевую вакуумную камеру, источник возбуждения электронов, держатель объекта, магнитный энергоанализатор с радиусом орбиты электронов 30 см, щелевую выходную диафрагму, детектор электронов и систему компенсации магнитного поля Земли. Магнитный энергоанализатор выполнен в виде двух пар круговых электрических контуров (катушек), соосных с кольцевой камерой, расположенных симметрично относительно нейтральной плоскости камеры и соединенных с блоком питания. Одна пара катушек расположена с внутренней стороны кольцевой камеры, а другая пара - с наружной стороны. Система компенсации магнитного поля Земли состоит из нескольких пар электрических контуров, соединенных с источником питания.

Недостатками известного устройства являются сложность, большие габариты, вес и стоимость прибора, а также ограниченные функциональные возможности. Это обусловлено большими размерами энергоанализатора, а также наличием крупногабаритных электрических контуров системы компенсации магнитного поля Земли. В известном устройстве энергоанализатор выполнен с возможностью получения магнитного поля в кольцевой камере, изменяющегося по радиусу в соответствии с формулой Н˜ρ^-0,5, где Н - напряженность магнитного поля, а ρ - радиус орбиты электронов. При таком законе распределения магнитного поля в энергоанализаторе дальнейшее уменьшение размеров последнего связано с заметным ухудшением параметров прибора (например, при уменьшении радиуса ρ₀ центральной орбиты электронов до 10 см светосила уменьшается на порядок). С другой стороны, из-за малой величины напряженности магнитного поля в кольцевой камере с радиусом ρ₀=30 см требуется тщательная компенсация стороннего магнитного поля, что обусловливает необходимость применения больших по размерам электрических контуров (колец Гельмгольца) для создания магнитного поля высокой однородности для компенсации магнитного поля Земли, причем как ее вертикальной составляющей, так и обеих горизонтальных компонент.

Предлагаемое изобретение направлено на упрощение устройства, снижение его габаритов, веса и стоимости прибора, расширение его функциональных возможностей.

Указанный технический результат достигается тем, что в электронном магнитном спектрометре, содержащем вакуумную камеру, энергоанализатор в виде круговых электрических контуров, щелевую диафрагму и детектор электронов, согласно изобретению электрические контуры энергоанализатора выполнены с возможностью создания в вакуумной камере магнитного поля, зависящего от радиуса ρ орбиты электронов в соответствии с выражением

н˜ρ^-α,

где Н - напряженность магнитного поля, α=0,62-0,76.

Кроме того, щелевая диафрагма и детектор электронов выполнены с возможностью перемещения в плоскости поперечного сечения энергоанализатора и фиксации в заданном положении.

Выполнение электрических контуров энергоанализатора с возможностью создания в вакуумной камере магнитного поля, напряженность поля Н которого зависит от радиуса ρ орбиты электронов в соответствии с выражением Н˜ρ^-α, где α=0,62-0,76, позволяет существенно уменьшить радиус орбиты электронов без снижения основных параметров спектрометра (светосилы и разрешения). Соответственно, уменьшаются габариты энергоанализатора и расположенной внутри него вакуумной камеры, снижается вес аппаратуры и уменьшается стоимость прибора. Кроме того, расширяются функциональные возможности устройства (возможность установки в технологической линии, изготовления переносных приборов и т.д.). При выборе параметра α менее 0,62 и более 0,76 происходит ухудшение разрешения прибора на порядок.

Благодаря значительному (более чем на два порядка) увеличению напряженности магнитного поля при уменьшении радиуса орбиты электронов в рабочем пространстве энергоанализатора (вакуумной камеры) резко уменьшается зависимость параметров спектрометра от стороннего магнитного поля Земли. Это позволяет избавиться от специальных систем компенсации магнитного поля либо существенно их упростить, снизить габариты и вес ее электрических контуров.

Выполнение щелевой диафрагмы и детектора электронов с возможностью перемещения в плоскости поперечного сечения энергоанализатора и фиксации в заданном положении позволяет полностью исключить систему компенсации составляющих магнитного поля Земли, параллельных нейтральной плоскости энергоанализатора. Это обусловлено тем, что указанные составляющие магнитного поля приводят лишь к смещению сфокусированного электронного пучка в радиальной плоскости энергоанализатора, которое может быть учтено путем соответствующего выбора положения щелевой диафрагмы и детектора в данной плоскости.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид устройства в плане, на фиг.2 - в разрезе (по А-А).

Электронный магнитный спектрометр содержит (фиг.1, 2) вакуумную камеру (например, кольцевую) 1, источник 2 возбуждения (рентгеновская трубка, электронная или ионная пушка и т.п.) для воздействия на исследуемый образец 3, щелевую диафрагму 4, установленную перед детектором 5 электронов, и энергоанализатор, выполненный в виде двух пар 6 и 7 электрических круговых контуров (катушек), установленных снаружи вакуумной камеры 1. Ампервитки катушек и их размещение (диаметры и расстояния от нейтральной плоскости) выбраны таким образом, что напряженность Н магнитного поля в рабочей зоне энергоанализатора (вакуумной камеры) зависит от радиуса ρ орбиты электронов в соответствии с выражением Н˜ρ^-α, где α=0,62-0,76. Катушки энергоанализатора соединены с блоком питания (не показан). Кроме того, щелевая диафрагма 4 и детектор 5 выполнены с возможностью перемещения (показано стрелками на фиг.1, 2) в плоскости поперечного сечения энергоанализатора и фиксации в заданном положении.

Устройство работает следующим образом. Под действием источника 2 возбуждения (фиг.1, 2) из исследуемого объекта 3 эмитируют фото- или оже-электроны, которые в вакуумной камере 1 под влиянием неоднородного магнитного поля энергоанализатора (катушки 6, 7) подвергаются двойной фокусировке (по радиусу R и оси Z энергоанализатора), разделению по энергиям и попадают через щелевую диафрагму 4 на детектор 5 электронов и систему регистрации спектров (не показана). Влияние горизонтальных составляющих магнитного поля Земли устраняется за счет выбора положения щелевой диафрагмы 4 и детектора 5 в плоскости поперечного сечения энергоанализатора, при котором наблюдается максимальная интенсивность спектра, и фиксации в этом положении.

Благодаря выполнению энергоанализатора с возможностью создания в рабочем пространстве спектрометра магнитного поля, зависящего от радиуса ρ орбиты электронов (фиг.1) в соответствии с выражением Н˜ρ^-α, где α=0,62-0,76, радиус ρ₀ центральной орбиты электронов может быть уменьшен без снижения основных показателей спектрометра (светосилы и разрешения) до 10 см и менее. По сравнению с известными устройствами это позволяет значительно снизить габариты, вес и стоимость прибора в целом, а отсутствие необходимости в системе компенсации внешних магнитных полей позволяет выполнить спектрометр компактным и переносным, что существенно расширяет его функциональные возможности.

Источники информации

1. Описание изобретения к патенту США №4593196, 03.06.1986 г.

2. Описание изобретения к патенту США №4949544, 25.09.1990 г.

3. Описание изобретения к патенту РФ №2086037, 27.07.1997 г.

4. Трапезников В.А., Шабанова И.Н., Варганов Д.В. и др. Новые автоматизированные магнитные спектрометры: спектрометры с технологическими приставками и манипуляторами и спектрометр для исследования расплавов. - Известия АН СССР. Сер. физическая, 1986, т.50, №9, с.1677-1682.

1. Электронный магнитный спектрометр, содержащий вакуумную камеру, энергоанализатор в виде круговых электрических контуров, щелевую диафрагму и детектор электронов, отличающийся тем, что электрические контуры энергоанализатора выполнены с возможностью создания в вакуумной камере магнитного поля, зависящего от радиуса ρ орбиты электронов в соответствии с выражением Н˜ρ^-α, где Н - напряженность магнитного поля, α=0,62-0,76.

2. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что щелевая диафрагма и детектор электронов выполнены с возможностью перемещения в плоскости поперечного сечения энергоанализатора и фиксации в заданном положении.