DE2043323C3

DE2043323C3 - Vorrichtung für die Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA)

Info

Publication number: DE2043323C3
Application number: DE2043323A
Authority: DE
Inventors: Edward F. Los Altos Hills Calif. Barnett (V.St.A.); Kai M.B. Uppsala Siegbahn (Schweden)
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Surface Science Laboratories Inc Mountain View
Priority date: 1969-09-02
Filing date: 1970-09-01
Publication date: 1974-10-10
Also published as: US3617741A; JPS5113435B1; FR2060766A5; GB1276400A; DE2043323B2; DE2043323A1; DE7032595U

Description

15 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß eine Elektronenlinse mit wenigstens vier Fokussierungselementen vorgesehen ist, die iängs der dritten Achse in dem Elektronenweg zwischen dem ao Auffänger und dem Efektro~enspektrometer ange-

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vm ■ ordnet sind und wenigstens drei voneinander unahnchtung für die Elektronenspektroskopie zur ehe- hängig einstel! /are elektrische Parameter ergeben und mischen Analyse (ESCA) mit einer Quelle zum Er- die Elektronenlinse ein Abbild des bestrahlten Aufzeugen einer elektromagnetischen Strahlung entlang fängers abgibt und die von diesem Abbild ausgehender·: einer ersten Achse, eine.η Monochromator mit einem as Elektronen durch das Elektronenspektromete. j/e-Dispersionselement, das auf der ersten Achse in dem langen, wobei die Gesamtstreuung der Elektronen Weg der elektromagnetischen Strahlung angeordnet linse und des Elektronenspektrometers die Dispersion ist, wobei der Monochromator einen kleinen Wellen- des Monochromators im wesentlichen ausgleicht. Jängenbereich der Strahlung entlang einer zweiten Indem man die elektrischen Parameter der EIeK-Achse auf einer, Auffänger fokussiert, der auf der 30 tronenlinse geeignet einstellt, kann die Größe und die zweiten Achse und auf dem Rowland-Kreis des Mono- Lage des Bildes konstant gehalten werden, während chromators angeordnet ist, wodurch von dem be- die Photoelektronen von dem Auffänger in dem strahlten Auffänger entlang einer dri;r»n Achse Elek- Energiebereich beschleunigt oder abgebremst v/erden, tronen emittiert werden, einem Detektor, einem Elek- auf den das Elektronenspektrometer eingestellt ist tronenspektrometer, das auf der dritten Achse in der 35 Hierdurch wird der Energiebereich wesentlich verBahn der emittierten Elektronen angeordnet ist. wobei größen, in dem eine Dispersionskompensation durchdas Elektronenspektrometer von dem bestrahlten Auf- geführt werden kann, um zu verhindern, daß sich die fänger emittierte Elektronen auf dem Detektor fokus- Breite der Röntgenstrahllinie, die auf dem Auffänger äiert. fokussiert wird, zu der Breite der Elektronenlinie ad-

Gewöhnlich liefern die der charakteristischen Rönt- 40 diert, die auf dem Detektor fokussiert wird. genstrahllinie.diezurAnregungder Elektronenemission Bei ESCA-Systemen, die elektrostatische Elekverwandt wird, eigene Breite und die dem zu unter- tronenspektrometer mit halbkugelförmigen Elektrosuchenden Atomenergieniveau eigene Breite die Haupt- den verwenden, kann eine größere Empfindlichkeit für beitrage zu der Breite einer Elektronenlinie in einem ein gegebenes absolutes Auflösungsvermögen dadurch BSCA-Spektrum. Um durch ESCA eine nützliche 45 erreicht werden, daß der Raumwinkel vergrößert wird, Information über die Atome und die Moleküle zu er- unter dem die Photoelektronen von dem Auffänger in halten, sollte oie Breite der Elektronenlinie lediglich das Elektronenspektrometer eintreten. Dieser Raumdie dem zn untersuchenden Atomenergieniveau eigene winkel wird im folgenden als Auffangwinkel bezeichnet. Breite wiedergeben. Ein ESCA-System, bei dem die Dieser Winkel ist annähernd proportional dem Pro-Breite der Röntgenstrahllinie, die zur Anregung der 5° dukt aus dem Winkeldispersionsbereich der Photo-Elektronenemission verwandt wird, nicht zu der Breite elektronen, die in das Elektronenspektrometer in der Elektronenlinie in dem ESCA-Spektrum beiträgt, radialer Richtung eintreten (der Richtung, in der die ist in der auf die Anmelderin zurückgehenden, nicht Photoelektronen nachfolgend abgelenkt und durch vorveröffentlichten USA.-Patentschrift 3 567 926 be- das Spektrometer dispergiert werden), und aus dem schrieben. In diesem System wird die Dispersion eines 55 Winkeldispersionsbereich der Photoelektronen, die in Kristallmonochromators, der zur Fokussierung einer das Elektronenspektrometer in Umfangsrichtung (der charakteristischen Röntgenstrahllinie auf dem Auf- Richtung senkrecht zu der radialen Richtung) einfänger verwandt wird, gleich der Dispersion eines treten. Wegen der Aberrationen in dem Elektronen-Elektronenspektrometers gemacht, das zur Fokus- spektrometer muß der Winkeldispersionsbereich, unter sierung der Photoelektronen verwandt wird, die aus 60 dem Photoelektronen in das Elektronenspektrometer dem bestrahlten Auffänger austreten und auf einen in radialer Richtung eintreten, sehr klein, d. h. in der Detektor fallen. Die geometrische Anordnung des Größenordnung von ungefähr 1 oder 2° gehalten ESCA-Systems ist so getroffen, daß durch die Disper- werden. Der Winkeldispersionsbereich, unter dem sion des Elektronenspektrometers die Dispersion des Photoelektronen in das Elektronenspektrometer in Kristallmonochromators kompensiert und dadurch 65 Umfangsrichtung eintreten, wird bei Systemen, die verhindert wird, daß sich die Breite der Röntgenstrahl- aus mehreren Elektroden bestehende Elektronenlinie, die auf dem Auffänger fokussiert wird, zu der linsen der beschriebenen Art verwenden, durch die Breite der Elektronenlinien addiert, die auf dem Blendenwirkung der Linsenelektroden begrenzt. Des-

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halb soll gemäß der vorliegenden Erfindung ein ver- Buch bezeichnet werden &oll,) beschrieben ist. Ein bessertes ESCA-System verwandt werden, bei dem der Beugungskristall 18 eines Kristailmonochromators ist Auffangwinkel der Photoelektronen in der Umfangs- auf der ersten Achse 16 in dem Weg der Röntgenrichtung um etwa einen Faktor 10 vergrößert werden strahlung 14 fest angeordnet. Der Beugungskristall 18 kann, wodurch die Empfindlichkeit des Systems be- 5 weist eine so gebogene Oberfläche auf, daß die Atomträchtlich erhöht wird, ohne daß sein Auflösungs- schichten einen Radius besitzen, der gleich dem Durchvermögen beeinträchtigt wird. messer des Rowland-Kreises 20 ist. Durch die Disper-

Dies wird gemäß einer bevorzugten Ausführungs- sion des Kristailmonochromators (die durch ßraggform der Erfindung dadurch erreicht, daß das Elek- Reflexion an dem Beugungskristall bewirkt wird) wird tronenspektrometer ein allgemein konisches Eintritts- 10 ein Spektrum der Röntgenstrahlung 14 erzeugt. Eine ende mit einer Symmetrieachse aufweist, die durch die charakteristische Linie 22 dieses Röntgcnstrablspek-Mitte der halbkugelförmigen Elektroden hindurch ver- trums wird durch den Kristallmonochromator entläuft, die Fokussierungselemente vier Paare von all- lang einer zweiten Achse 24 fokussiert, die einen gemein konischen, fächerförmigen Elektroden um- Winkel β von ungefähr 2V mit der ersten Achse 16 fassen und diese fächerförmigen Elektrodenpaare die- 10 bildet. Der Auffänger 10 ist herausnehmbar auf der selbe Symmetrieachse wie das konische Eintrittsende zweiten Achse 24 in dem Strahlungsweg dieser charakdes Spektrometers besitzen. Diese Elektrodenpaare teristischen RöntgenstraWlinie 22 angeordnet. Sowohl sind so angeordnet, daß ihre Öffnungen in radialer der Auffänger 10 als auch die Strahlungsquelle 12 Richtung am schmälsten und in I'mfangsrichtung am sind auf dem Rowland-Kreis 20 des Krioiailmortoweitesten sind. Die Fokussierungswirkung der Elek- 15 chromators angeordnet.

tronenlinse tritt deshalb hauptsächlich oder vollständig Durch die Bestrahlung des Auffängers 10 mit der

in radialer Richtung auf, wodurch der Auffangwinkel charakteristischen Röntgenstrahilinie 22 werden von

in Umfangsrichtung vergrößert und für ein gegebenes dem Auffänger Photoelektronen entlang einer dritten

absolutes Auflösungsvermögen eine größere Emp- Achse 26 ausgesandt, die einen Winkel 6> t-y--'/

findlichkeit erreicht wird. Jedes dieser Elektrodenpaare 30 (s. F i g. 3) von ungefähr 70" mit der zweiten Achse 24

ist elektrisch von den anderen Elektrodenpaaren iso- bildet. Wegen der Dispersion des Kristallmonochroma-

liert, wodurch man drei unabhängig veränderliche tors besitzt die charakteristische Röntgenstrahilinie 22

elektrische Parameter erhält, um die Größe und die eine endliche Linienbreite, wodurch bewirkt wird, daß

Lage des Auffängerbildes und die kinetische Energie Photoelektronen von demselben Energieniveau, jedoch

der Photoelektronen zu steuern, die in das Elektronen- 25 aus verschiedenen Teilen des Auffänger,, mit ver-

spektrometer eintreten. schiedenen Energien austreten. Zum Beispiel (riff;.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Aus- wie es in F 1 g. 1 dargestellt ist, ein höher energetisches

führungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung Photon rechts (gesehen in Strahlrichtung der charak-

erläutert. teristischen Röntgenstrahilinie) von einem Photon mit

F i g. 1 zeigt eine teils schematische und teils eine 30 niedrigerer Energie auf und erzeugt Photoelekironcn.

geschnittene Aufrißdarstellung eines verbesserten dis- die eine höhere Energie (Et F AE) als die Photocbk-

persionskompensierten ESCA-Systems gemäß einer tronen mit der Energie (E₁ — AE) aufweisen, die durch

vorzugsweisen Ausführungsform der vorliegenden Er- das Photon mit niedrigerer Erergie erzeugt werden

findung; Wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt ist, wird ein i iek-

F i g. 2 zeigt eine Aufrißdarstellung der Elektronen- 35 tronenspektrometer 28, das mit seinem Hintnttscnde

linse und des Spektrometers in F i g. 1, gesehen in festauf der dritten Achse 26 angeordnet ist, /ur IJ nter-

atnof PIvHA CAfllifwht 711 ίΙΡΓ FhPHP ΛΡΓ P i P 1 ' Stirhlincr AfT Dlinl«vi[_aLt.»«. Λ I .-.LL

*""*-' wfw.-~ «..- - C₇- - , _{o uv}. . uviwibnui/IICIl VUII UCIII ΠΟΙΙ tlllllCII

F ι g. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Auf- Auffänger 10 verwandt. Das Elektroncnspektrometer

f ängerbereiches in F i g. 1; 28 kann z.B. aus einem elektrostatischen Spckiro-

F i g. 4 zeigt einen geschnittenen Aufriß einer 40 meter mit halbkugelförmigen Elektroden 32 und 34

Elektronenlinse, deren Symmetrieachse unter einem bestehen, etwa der Art, wie es in den Fig. ! und 2

endlichen Winkel in bezug auf die Ebene des Rowland- dargestellt ist, oder es kann aus einem halhkrciv

Kreises ausgerichtet ist; förmigen magnetischen Spektrometer bestehen, *ie es

Fig. 5 zeigt einen geschnittenen Aufriß einer etwa in dem Abschnitt VH!: 3 auf den Seiten 1X2 und

Elektronenlinse und eines Spektrometers, die gemäß 45 folgende des F.SCA-Buches beschneben ist. In jedem

einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Er- Falle wird das Elektronenspektrometcr 28 dadurch

findung ein verbessertes, in der Dispersion kompen- eingestellt, daß seine Elektroden 32 und 34 auf aus-

siertes ESCA-System bilden, und gewählte Potentiale V₁ bzw. V₂ gebracht werden, um

F i g. 6 zeigt eine Darstellung der Elektronenlinse einen verhältnismäßig schmalen Energiebereich von

und des Spektrometers der F i g. 5, gesehen in einer 55 Photoelektronen (z. B. von ungefähr 10 eV aus einem

Ebene senkrecht zu der Ebene der F i g. 5. Spektrum von ungefähr 1500 eV) auf einem Detektor

In F i g. 1 ist ein ESCA-System mit Dispersions- 36 zu fokussieren, der an dem Austrittsende des Elekkompensation dargestellt, das zur Untersuchung der tronenspektrometers 28 angeordnet ist. Der Dctekchemischen Zusammensetzung eines ausgewählten Auf- tor 36 kann aus einer fest angeordneten Photomultifängers 10 verwandt werden kann. Dieses System ent- 60 plierröhre oder aus einer wegnehmbaren photohäll eine fest angebrachte Strahlungsquelle 12, die ent- graphischen Platte bestehen, wie es schematisch in lang einer ersten Achse 16 einen Röntgenstrahl 14 F i g. I dargestellt ist.

emittiert. Die Strahlungsquelle 12 kann z.B. so aus- Auf der dritten Achse26 ist zwischen dem Aufgcbildct sein, wie es auf den Seiten 178 bis 179 des fänger 10 und dem Eintnttsende des Elektronen-Buches »hlcktronenspektroskop für chemische Unter- 65 spektrometers 28 eine Elektronenlinse 38 fest angesuchungen« von Kai S i c g b a h η u. a., herausgege- ordnet, um die von dem Auffänger herkommenden ben im Dezember 1967 von dem Verlag Almqvist and Photoclektronen in den Energiebereich zu beschleuni-Wicksetls Boktrycken (das im folgenden als ESCA- gen oder abzubremsen, auf den das Elektronenspek-

trometer28 eingestellt ist. Die Elektronenlinse 38 umfaßt vier konische, ringförmige Elektroden 40, 42, 44 und 46, die symmetrisch um die dritte Achse 26 herum und im Abstand voneinander entlang dieser dritten Achse 26 so angeordnet sind, daß die kleinste öffnung in der Nähe des Auffängers 10 und eine größere Öffnung in der Nähe des Eintrittsendes des Efektroncnspcktrometers 28 liegt. Diese vier Elektroden 40, 42 44 und 46 sind elektrisch voneinander isoliert, und sie werden auf solchen voneinander unabhängig steuerbaren Potentialen V₃, V₄ V₆ und V_t gehalten, daß die Potentialdifferenz V₁ - V₃ zwischen den Elektroden 40 und 42, die PotenliafdiiTerenz Vr, ■ V₃ zwischen den Elektroden 40 und 44 und die Potentiiildifferenz V_t — V₃ zwischen den Elektroden 40 und 46 unabhängig verändert werden kann. Die Potentiale K, und V_t der Spektromcterelektrnden 32 und 34 sollten so gewählt werden, daß der Elektronenstrahl, der durch das Spektrometer läuft, einer Äquipotentialfläche folgt, die dasselbe Potential V_e wie die Linsenelektrode 46 aufweist.

Durch diese Bedingung wird ein positiver Wert für die Potentialdifferenz V_x - V₉ zwischen der inneren Spektrometerelektrode 32 und der am nächsten liegenden Linsenelektrode 46 und ein negativer Wert für die Poienlialdiffcren/ K₂ — V_n zwischen der äußeren Spektrometerelektrode 34 und der am nächsten liegenden Linsenelektrode 46 bestimmt. Durch die PotentialdilTcrenz V_n — V₃ zwischen der Flektrodc 4(1, die dem Auffänger 10 am nächsten liegt, der auf demselben Potential V\ wie die Elektrode40 liegt, und der Elektrode 46. die dem Eintrittsende des Elektroncnspcktromciers 28 am nächsten liegt, wird das Verhältnis der abschließenden /u der anfänglichen kinetischen Inergic der Photoeleklroncn gesteuert, die aus dem Auffänger Iß austreten und durch das Elektroncnspcktromcter 28 laufen. Indem man diese Potentialdiffcrciiz V_t V\ geeignet einstellt, körnen Photoelektronen, deren anfängliche kinetische ! nsr g:en ühc-r einen weiten Bereich (/ H. über 150 his 3(K)cV ..tier uher WK) bis I MKk-V) -1 reuen, in ilen He reich Ηι·<.ι·|ι|ρΐ!πισ! oder ;it'oi»hr<"m«·! v*CTtlct\ auf ilen das I li-ktronenspektiometer 28 cinprstellt ist

Durch die r okussierunpswirkurip tier ( lckinwen· linse· 38 wird an dem I inirittscndc des Heklronenspektrometrie 28 ein Bild 48 des Auffänpers 10 er· zeupl Die I mpfindlichteil und das Auflosiinpsverm'iycn ties Systems werden durch die Große und die I .ipe des Hildes 48 beeinflußt. Die (ireiße und die Lsiuf des [Jililes 48 können durch die Kinstellunp der Puicniialdiffcrcnz V_t ■■■ V₃ zwischen den L'.iimjiiclcktrodcn 40 und 42 und der Polcntialdiffcrcnz K₈-- K₁ zwischen den Linsenclcklrodcn 40 und 44 ausgewählt und darüber hinaus konstant gehalten werden, so daß man unabhängig von der anfänglichen kinetischen Energie der Photocicktroncn, die in tlen Energiebereich beschleunigt oder abgebremst werden, auf den das Spektrometer 28 eingestellt ist, ein System mit maximaler Empfindlichkeit und maximalem Auflösungsvermögen erhält.

Um zu verhindern, daß sich die Ereile der charakteristischen Rönlgcnstrahllinie 22 zu der Hrcili· der Elcktrnncnlinic addiert, die auf dem Detektor 36 fokussiert wird, wird die Gesamtdispersion der Klcktronciilinsc 38 und des Elektroncnspektromcters 28 so gewählt, daß clic Dispersion des Krislallmonochromators unwirksam gemacht wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die geometrischen Abmessungen des Systems und die elektrischen Parameter so gewählt werden, daß die folgende Gleichung erfüllt ist:

Q sin Θ ■ sin φ Ε.

— M — — — tan©.

R sin (6» + γ) E_p

In dieser Gleichung bedeuten (was im einzelnen aus den F i g. 1 und 3 ersichtlich ist):

ρ den mittleren Radius des Spektrometer 28;
R den Radius des Rowland-Kreises 20;
M die Vergrößerung der Elektronenlinse 38;
Θ den Bragg-Winkel (der Winkel zwischen der zweiten Achse 24 und einer Tangente an den Rowland-Kreis in dem Schnittpunkt mit dieser

zweiten Achse);

ψ den Winkel zwischen der dritten Achse 26 und der bestrahlten Oberfläche des Auffängers 10; γ den Winkel zwischen der bestrahlten Oberfläche des Auffängers 10 und einer Tangente an den

Rowland-Krcis 20 im Schnittpunkt mit sowohl der zweiten Achse 24 als auch der bestrahlten Oberfläche des Auffängers 10;
E, die kinetische Energie des mittleren Elektroncn-Strahls in dem Spektrometer 28 und

Ep die mittlere Energie der Photonen in der charakteristischen Röntgcnstrahllinie 22.

Aus der obigen Gleichung geht hervor, daß es für

eine Dispersionkompensation bei einer gegebenen Geometrie und einem gegebenen Verhältnis von E, zu E_v crforderiich ist, daß die Vergrößerung M der Elck-Ironenlinsc 38 und somit die (j ruße des Auffängerbildes 48 konstant gehalten wird, wenn der Bereich

der zu untersuchenden anfänglichen Photoelektronens-ncrgien verändert wird. Dies erfolgt, wie es bereits oben beschrieben wurde, dadurch, daß die Potenliiildiffcrcnzcn V₄ V₃ und V,, K₁ jeweils eingestellt oder nachgestellt werden, wenn die Potcntiaidiffercnz

V_n-- V₃ verstellt wird, um den Bereich der zu untersuchenden anfänglichen l'hotoelektroncnencrpicn zu verändern

Is wurde ι in in der Dispersion kompensiert I SCA System der oben beschriebenen Art mit den in der

folgenden Tabelle aripepcbcncn Abmessungen pehaut (wobei die »uchstahcn α-/ und /·,-/·,, die Längsabmessunpcn b/w inneren Durchmesser der f-.lektronenlinse 38 darstellen, wie sie in Γ ι g. 4 angegeben sind): IV^ Vi A an r, 1 o,-_m

on α

⁵⁰ (pi	I?.7 cm)	/>	1.27 cm
(.Cn	19 cm)	c ■■■-	4,3 cm
H	15,2 cm	(I ----	5,0 cm
*(■J*	78,5"	C ^³	10,1 cm
	3:?,5'	/ '■■■	10,1 cm
55 y	30'
E,	17OcV
E₁, M	150OeV ?,

'·* 2,5 cm

''s "- 5,0 cm

r, = 10,1. cm

r_r, - 5,0 cm

6ο Bine Dispersionskompcnsiition wurde bei diesem System bei Abbrcmsiingsverhültntsscn EJE₁ von ζ Β 1 : 3 und 1 : 6 dadurch erhalten, daß die Elektroden des Eleklroncnspektromcters und der Linse auf den Werten gehalten wurden, wie sie in der weiter unten

angegebenen Tabelle enthalten sind (in der E₁ die mittlere kinetische r.ncrgic solcher Photoclcktronen beim Austritt aus dem Aufffingcr ist. die durch das Spektrometer laufen):

409641/152

	*y_t*	9	OV OV	y.	-355 V -770 V	10	y.	E₁	17OeV 17OeV
*Ε,ΙΕ,*	-264 V -774 V			68OV 1000 V	-34OV -85OV	51OeV 102OeV
1:3 1:6	-4O2V -912 V

Die in dem in F i g. 1 gezeigten System verwandte Elektronenlinse 38 kann vollständig elektrostatisch wirken, oder sie kann sowohl aus elektrostatischen als auch magnetischen Bauteilen aufgebaut sein. Darüber hinaus kann die Elekironeniinse 38 so angeordnet sein, daß ihre Symmetrieachse in der Ebene des Rowland-Kreises 20 oder, wie es durch die gestrichelten Linien in F i g. 4 angedeutet ist, unter einem endlichen Winkel in bezug auf die Ebene des Rowland-Kreises 20 liegt. Die letztere Ausführungsform kann mit Vorteil in solchen Systemen angewandt werden, bei denen die Elektronenlinse 38 ansonsten einen großen Anteil der Röntgenstrahlung 14 absorbieren würde, bevor diese den Auffänger 10 erreicht.

Zur Erreichung einer größtmöglichen Empfindlichkeit sollte der Auffangwinkel des Elektronenspektrometers 28 um die Achse; zentriert sein, entlang der die höchste Photoelektronenemission pro Raumwinkeleinheit mit dem geringsten Verlust an Monochromie erreicht wird. Diese Achse verläuft für einen gasförmigen Auffänger, bei dem Photoslektronen über den gesamten Bereich entlang dem Bogen des Rowland-Kreises erzeugt werden können, über den sich die charakteristische Röntgenstrahlung 22 erstreckt, senkrecht zu der Ebene des Rowland-Kreises. Bei einem solchen gasförmigen Auffänger ist es deshalb besonders vorteilhaft, die Elektronenlinse 38 und das Spektrometer 28 so anzuordnen, daß der Mittelstrahl der Photoelektronen, der von dem Spektrometer aufgefangen wird, senkrecht zu der Ebene des Rowland-Kreises 20 verläuft, wie es durch die ausgezogenen Linien in F i g. 4 dargestellt ist. Dieselben Überlegungen gelten gleichfalls, wenn ein Elektroncnspektrometer 28 in einem ESCA-System ohne eine Elektronenlinse 38 verwandt wird.

In den F i g. 5 und 6 ist ein anderes Elektronenspektrometer 50 und eine Elektronenlinse 52 von der Art gezeigt, wie sie in dem in F i g. 1 dargestellten ESCA-System verwandt werden können, um den Auffangwinkel und somit die Empfindlichkeit des Systems zu vergrößern, ohne das Auflösungsvermögen des Systems nachteilig zu beeinflussen. Das Elektronenspektrometer 50 umfaßt zwei halbkugelförmige Elektroden 54 und 55, die auf verschiedenen Potentialen V₁ und K-, gehalten werden. Diese halbkugelförmigen Elektroden sind so abgeändert, daß das Spektrometer ein konisches Eintrittsende 58 mit einer Symmetrieachse 60 aufweist, die durch die Mitte C der halbkugelförmigen Elektroden läuft.

Die Elektronenlinse 52 weist vier Paare von konischer fächerförmigen Elektroden 62, 64, 66 und 68 auf, die dieselbe Symmetrieachse 60 wie das konische Eintrittsende 58 des Elektronenspektrometers 50 be sitzen. Diese Elektrodenpaare 62, 64, 66 und 68 sind elektrisch voneinander isoliert, und sie werden auf von einander unabhängig einstellbaren Potentialen V₃, V₄, K₅ und V, gehalten, um drei unabhängig voneinander veränderliche Potentialdifferenzen zu schaffen, und

is zwar V_A — V₃ zwischen dem ersten und dem zweiten Paar 62 und 64, K₅ — K, zwischen dem ersten und dem dritten Paar 62 und 66 und K, — K₁ zwischen dem ersten und dem vierten Paar 62 und 68. Durch Einstellung dieser drei unabhängig voneinander veränder- liehen PotentialdifJerenzen kann die Größe und die Lage des Auffängerbildes und die kinetische Energie der Photoelektronen, die in das Elektronenspektrorncter 50 eintreten, so gesteuert werden, daß man für einen ausgedehnten Energiebereich, wie er oben im

as Zusammenhang mit der F i g. 1 erläutert wurde, eine Dispersionskompsnsation erzielt.

Die Elektronenlinse 52 ist so fest angeordnet, daß ihre kleinste konische öffnung in der Nähe dss Auffängers 10 und ihre größte konische öffnung in der

Nähe des konischen Eintrittsendes 58 des Elektronenspektronuiters SS liegt. Die konischen öffnungen der Elektronenlinse 52 sind am schmälsten in radialer Richtung und am weitesten in Umfangsrichtung, so daß die Fokussierungswirkung der Elektronenlinse hauptsächlich oder vollständig in radialer Richtung und nur leicht, wenn überhaupt, in Umfangsrichtung auftritt Hierdurch wird bewirkt, daß der Auffangwinkel in Umfangsrichtung vergrößert wird, wodurch eine größere Empfindlichkeit des Spektrometer für

ein gegebenes absolutes Auflösungsvermögen erhalten wird.

Idealerweise sollte der Auffänger 10 auf einer konischen Fiäche liegen, die die angrenzenden Oberflächen des Elektrodenpaares 62 im rechten Winkel schneidet und die durch die Symmetrieachse 60 der Elektronenlinse 52 in der Nähe dieser Symmetrieachse verläuft. Je näher der Auffänger 10 an der Symmetrieachse 6Ci der Elektronenlinse 52 liegt, um so mehr können die Aberrationen verringert werden. APe

So Photoelektronenstrahlen, die durch die Elektronenlinse 52 aufgefangen werden, verlaufen nahezu senkrecht zu den konischen Oberflächen, die die Kanten der Linsenöffnungen und des Eintrittsendes 58 des Elektroinenspektromcters 50 bilden. Dies trägt auch

dazu bei, die Aberrationen zu verringern. Die Elektronenlinse Sl erzeugt ein Bild der aufgefangenen Strahlen in einem Konus 70, der durch die Mitte C der halbkugclförmigen Elektroden 54 und 56 verläuft.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung für die Elektroneiispcktroskopie zur chemischen Analyse (ESCA) mit einer Quelle zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung entlang einer ersten Achse, einem Monochromator mit einem Dispersionselement, das auf der ersten Achse in dem Weg der elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist, wobei der Monochromator einen kleinen Wellenlängenbereich der Strahlung entlang einer zweiten Achse auf einen Auffänger fokussiert, der auf der zweiten Achse und auf dem Rowland-Krcis des Monoehromators angeordnet ist, wodurch von dem bestrahlten Auffänger entlang einer dritten Achse Elektronen emittiert werden, einem Detektor, einem Elektronenspektrometer, das auf der dritten Achse in der Bahn der emittierten Elektronen angeordnet ist, wobei das Elektronenspektrometer von dem be- ta strahlten Auffänger emittierte^ Elektronen auf dem Detektor fokussiert, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Elektronenlinse(38) mit wenigstens vier F-oku.ssieiungselementen (40 bis 46, 62 bis 68) vorgesehen ist, die längs der dritten Achse «5 (26) in dem Elektronenweg zwischen dem Auffänger (10) und dem Elektronenspektrometer (28) angeordnet sind und wenigstens drei voneinander unabhängig einstellbare elektrische Parameter ergeben und die Elektronenlinse ein Abbild des bestrahlten Auffängers abgibt und die von diesem Abbild ausgehenden Elektronen durch das Elektronenspektrometer gelangen, wobei die Gesamlstreuung der Elektronenlinse und des Elektronenspektrometers die Dispersion des Monoehromators (18) im wesentlichen ausgleicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle (12) auf dem Rowland-Kreis (20) des Monochromator (18) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle (12) eine Röntgenstrahlenquelle ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenlinse (38,52) eine Symmetrieachse (26, 60) hat, die in der Ebene des Rowland-Kreises (20) des Monoehromators (18) liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenlinse (38, 52) eine Symmetrieachse (26,60) hat, die mit der Ebene des Rowland-Kreises (20) des Monoehromators (18) einen endlichen Winkel bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse der Eiektronenlinse senkrecht zu der Ebene des Rowland-Kreises des Monoehromators liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Achse (26) senkrecht auf der Ebene des Rowland-Kreises (20) des Monochromators (18) steht und das Elektronenspektrometer (28) so auf der dritten Achse angeordnet ist, daß der Mittelstrahl der durch das Elektronenspektrometer aufgefangenen Elektronenemission senkrecht auf der Ebene des Rowland-Kreises des 6g Monoehromators steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialdifferenzen (Ki-F₃; Kf₁-K₃; K_n- K₃) zwischen einem ersten (40) und einem zweiten (42), dem ersten (40) und einem dritten (44) und dem ersten und einem vierten (46) der Fokussierungselemente einstellbar bind zur Steuerung der üröße und Lage des Abbildes des angestrahlten Auffängers (10) und des Verhältnisses zwischen der endgültigen und der anfänglichen kinetischen Energie der von dem angestrahlten Auffänger emittierten und durch da* Elektronenspektrometer gelangenden Elektronen

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialdifferenzen der Fokussierungselemente derart sind, daß die Größe und Lage des angestrahlten Auffängers konstant gehalten ist, während Elektronen des angestrahlten Auffängers in dem ausgewählten Energiebereich des Elektronenspektrometers beschleunigt oder abgebremst werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungselemente aus allgemein konischen, ringförmigen Elektroden (40 bis 46) bestehen und symmetrisch um die dritte Achse (26) herum und im Abstand voneinander entlang dieser dritten Achse angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenspektrometer ein Paar halbkugelförmiger Elektroden aufweist, die mit unabhängig voneinander einstellbaren Potentialen zur Fokussierung von Elektronen innerhalb des gewählten Energiebereiches auf den Detektor betrieben sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenspektrometer ein allgemein konisches Eintrittsende (58) mit einer Symmetrieachse (60) aufweist, die durch die Mitte (C) der nalbkugelförmigen Elektroden (54, 56) hindurch verläuft, die Fokussierungselemente vier Paare von allgemein konischen, fächerförmigen Elektroden (62 bis 68) umfassen und diese fächerförmigen Elektrodenpaare dieselbe Symmetrieachse wie das konische Eintrittsende des Spektrometers besitzen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12. dadurch gekennzeichnet, daß das Bild des bestrahlten Auffängers (10) durch die Elektronenlinse (52) an dem konischen Eintrittsende (58) des Elekironenspektrometers(50) in einem Konus (70; gebildet wird, dessen Scheitelpunkt in der Mitte (C) der halbkugelförmigen Elektroden liegt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die halbkugelförmigen Elektroden, die Strahlenquelle, der Monochromator, der Auffänger, das Elektronenspektrometer und die Elektronenlinse derart angeordnet sind, daß

ο ,, sin Θ ■ sin a E₈ „ ,,

R sin (Θ + γ) E₁,

ist, wobei ρ der mittlere Radius der halbkugelförmigen Elektroden des Elektronenspektrometers, R der Radius des Rowland-Kreises des Monoehromators, M die Vergrößerung der Elektronenlinse, Θ der Winkel zwischen der zweiten Achse und einer Tangente an den Rowland-Kreis im Schnittpunkt der zweiten Achse und der angestrahlten Oberfläche des Auffängers, ψ der Winkel

zwischen der dritten Achse und der angestrahlten Detektor fokussiert werden. Dies kann jedoch !cdig-

Obcrfläche des Auffängers, γ der Winkel zwischen lieh für einen verhältnismäßig schmalen Elektronc

der angestrahlten Oberfläche des Auffängers und energiebereich von ungefähr 10 bis 2Q"'„ der optimal

einer Tangente an den Rowland-Kreis des Mono- für eine Dispersionskompensation in einem derartigen

chromntors am Schnittpunkt der zweiten Achse 5 Syriern zur Verfügung stehenden Elektronenenergie

und der angestrahlten Oberfläche des Auffängers, erreicht werden.

Es die kinetische Energie des zentralen Elektronen- Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die

Strahles im Elektronenspektrometer und R_v die Äufgabezugrunde.eineVorrichtungfürdieElektronen-

mittlere Energie der Photonen in der charak- spektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA) zu

teristischen Linie der Röntgenstrahlung ist. io schaffen, bei der eine Dispersionskompensation in

einem wssentlich größeren Energiebereich durchgeführt werden kann, um zu verhindern, daß sich die Breite der Röntgenstrahllinie zu der Breite der Elektronenlinie addiert.