DE2103306A1

DE2103306A1 - Einrichtung zum Bestimmen der Energie geladener Teilchen

Info

Publication number: DE2103306A1
Application number: DE19712103306
Authority: DE
Inventors: Philippe Dr. 8000 München Staib
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1971-01-25
Filing date: 1971-01-25
Publication date: 1972-08-17
Also published as: US3760186A; FR2123360A3; LU64650A1; BE778419A; DE2103306C3; GB1352084A; IT948309B; FR2123360B3; DE2103306B2; NL7200902A; JPS5312836B1

Description

8406-70/Dr.v.B/Ro. 25. Januar 1971

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der

Wissenschaften e.V. 34 Göttingen, Bunsenstraße 10

Einrichtung zum Bestimmen der Energie geladener

Teilchen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Bestimmen der Energie geladener Teilchen, insbesondere Elektronen, die von einer Teilchenquelle in einen vorgegebenen Raumwinkel emittiert werden, mit einer Elektrodenanordnung, die mindestens eine den Raumwinkel überspannende, gewölbte und durchbrochene an eine Klemme einer Vorspannungsquelle angeschlossene Elektrode enthält und ein elektrisches Feld erzeugt, das aus den von der Quelle aus divergierenden Teilchen ein konvergentes Bündel erzeugt, einer TeilchermaehweiseiBrichtung, die auf der der Teilchenouelle abgewandten Seite der Elektroden am Ort- des k:ietn£'ten Querschnittes 6e& Teilchenbündels angeord- j net i£t_t, und ^iner zwischen ck-r Teilehenquelle und der Teilchen- ! naeiiwslseinrichtung angeordneten Blende, die verhindert, daß ■ λ Teilciien von der Quelle auf gerader? Bahnen die TeiichennachweiseinriGlitung erreichen.

Ein Energieanalysator mit diesen Merkmalen 1st in der Zeit- I schrift "Applied Physics Letters" _} Band 16,No₄ 9, 1. Mai 1970, | Seiten p'S bis 551 beschrieben. Er stellt eine Weiterentwicklung I de:-" sogenannten LSSD-Gegsnieldoptlk dar und hat wie diese gegenüber £jjl®nkfelasystetL-Ziiei*£,±Si^:2ia.lysa,toren, wie sie in MassenspeiStroiBetern verwendet we-rlf-u.- Φ,-η Torteil wesentlich höherer Lichtstärke.

Der in der oben angegebenen Veröffentlichung beschriebene Energieanalysator besteht aus einem hochauflösenden Gegenfeldteil mit zwei zur Teilchenquelle hin konkaven, kugelkalottenformigen \

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Gittern, deren Abstand 6,25 om und deren mittlerer Radius ca. ! 40 cm betragen. Diese Geometrie erfaßt einen Raumwinkel von ! Ο,Οδπ" mit einer Quellenfläche von 2 cm . Hinter dem Gegenfeldj teil wird ein Potentialtopf erzeugt, der sich nur auf die nieder- ! energetischen Elektronen (e < 10 eV) auswirkt. Hierdurch wird das Rauschen gegenüber der ein Hochpaßfilter darstellenden LEED-Gegenfeldoptik stark verringert, weil die meisten schnelleren Elektronen (E >10 eV) nicht mehr nachgewiesen werden. Die Tiefe des Potentialtopfes soll nicht zu groß sein, damit nicht zu viele Elektronen mit einer Energie von einigen eV das Nachweissystem erreichen, aber tief genug, damit ein befriedigender Prozentsatz der niederenergetischen Elektronen nachgewiesen weri den kann.

\ Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Auflösungsvermögen und die Transmission des oben erwähnten bekannten Energieanalysators, insbesondere für kleine Teilchenenergien, zu verbessern,

GemäS der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

I die gewölbte Elektrode zur Teilchenquelle hin konvex und bezüg-

j 1:1 oh einer sweitc-n durchbrochenen Elektrode, die zwischen ihr

^: und eier ^eilcnenraciiweiseinrieiitung liegt, so vorgespannt ist, j daß 2v/i-^?:^::=p-i ule&^r·. Eieir.r-roat.il ein aie Teilchen beschleunigendes

j Vor£;;,ν3wej.se ist die sweite Elektrode konzentrisch zur ersten Elektrode gekrümmt,

! Siii. 50" eher Energieanalysator kann vorteilhafter Weise im ^: Strahlengai';"- hinter eine:;" LEED-Gegenfeldoptik angeordnet weiⁱden_f

^! ^Tl€: .-!.:-^richtung gem^.a aer Erfindung eignet sich insLcsonder-'r /cccc-'-i γΛοϊΛ ^asr.ch" ieiliori zu..¹ Energie bestimmung von Auges¹

' Elc}-r:'c-''.en \m.ä Phctoelestronen im Rahmen der zerstörungsfreien oheüi:.U*chei* '^;nalys-2 durch Elektronenspektroskopie.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind- in

den üaterarssprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der ZiJiohnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine sehematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das sich insbesondere zur Bestimmung der Energie niederenergetischer Elektronen signet j

Fig. 2 eine sehematische Darstellung einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß FIg₅₁ 1;

Fig. 5 eine sehematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung;

Fig. 4 eine sehematische Darstellung verschiedener Strahlungsbündelquerschnitte in einer Ebene P in Fig. 1;

Fig. 5 einen Axialschnitt, der die Verhältnisse im Bereich des kleinsten Bündelquerschnitts bei der Einrichtung gemäß Fig. 1 oder 3 zeigt und

Fig. 6 eine sehematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispieles der Erfindung mit Zylindergeometrie.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Energieanalysator gemäß der Erfindung, der im wesentlichen aus zwei konzentrischen, kugelkalottenförmigen Drahtnetzgittern 10, 12 besteht, die im Abstand voneinander (Verhältnis von Abstand zu mittlerem Radius vorzugsweise größer als 0,01, z.B. 0,03 - 0*5J insbesondere 0,05 bis 0,1) zwischen einer in Fig. 1 links von den Gittern gelegenen Teilchenquelle, z.B. Elektronenquelle, und einer rechts von den Gittern angeordneten, in Fig. 1 nicht dargestellten Teilchennachweiseinrichtung, vorzugsweise einem Sekundärelektronenvervielfacher angeordnet ist. Wenn ein Energiespektrum aufgenommen werden soll, kann die Teilchennachweiseinrichtung längs der Achse 14 des Systems verschiebbar sein, so daß ihre Eintrittsblende in verschiedene, zur Achse senkrechte Ebene gebracht werden kann, von denen eine Ebene P eingezeichnet ist. Eine andere Möglichkeit zur Aufnahme eines Energiespektrums besteht darin, bei feststehender Teilchennachweiseinrichtung die Spannung U_Q am Gitter 12 zu verändern.

Im folgenden soll der Einfachheit halber angenommen werden, daß es sich bei den Teilchen, deren Energie zu bestimmen ist, um Elektronen handelt. Die vorliegende Einrichtung läßt sich selbst verständlich auch für andere geladene Teilchen, z.B. positive

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Ionen anwenden, in diesem Fall sind lediglich die Vorzeichen ,umzukehren,

Das Gitter 10 liegt in der Praxis auf dem Potential der ^! Teilchenquellej, während das Gitter 12 durch eine positive Vor-• spannung Uq bezüglich des auf Masse liegend angenommenen Gitters 10 vorgespannt ist. Die Vorspannung U_Q ist groß im Vergleich zu der der Energie E = eU (e = Elementarladung) der Elektronen entsprechenden Spannung V und beträgt bei der Analyse von niederenergetischen Elektronen mit Energien von einigen Zehntel eV, z.B. etwa 10 V.

Durch die Spannung U_Q zwischen den beiden Gittern 10, 12 verhält sich der innere Raum des Kugelnetzes wie eine Kugel mit dem Brechungsindex η

η = (1 + eUo/eU)¹/² (1)

Das Verhältnis zwischen Einfallswinkel φ. und Ausfallswinkel φρ wird durch das optische Brechungsgesetz

sin φ, S= η sin φρ (2)

bestimmt. Für U«-U_Q ändert sich η sehr rasch in Abhängigkeit von U und geht für U-* 0 gegen unendlich, was einer großen Energiedispersion auf der Symmetrieachse 14 entspricht. In Fig. 1 sind einige gebrochene Strahlen für verschiedene Werte U/U_Q und für innere und äußere Randstrahlen dargestellt. Der paraxiale Bereich ist durch eine kreisförmige Scheibe 16 ausgeblendet. Die sphärische Aberration ist für Werte von U/U_Q ^0,01 klein und die durch Hionoenergetische Elektronen gebildeten Bündel schneiden die Symmetrieachse 14 innerhalb eines kleinen Bereiches. Die Kombination dieser bieder Eigenschaften, nämlich hohe Energiedispersion und scharfe Fokusbilder, ist von großem Vorteil.

Die Energie der nachgewiesenen Elektronen hängt vom Ort dar Eintrittsöffnung der Strahlungsnachweiseinrichtung auf der Achse 14uid von der angelegten Spannung Ü_Q ab. Hierauf wird später noch näher eingegangen»

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- 5 - ■ ■ j

Das Auflösungsvermögen des Energieanalysators gemäß Pig. 1 ; wird hauptsächlich durch den Quellendurchmesser und die sphärische Aberration bestimmt. Die sphärische Aberration läßt sich ausschalten, wenn man den Netzen nicht die Form einer Kugelkalotte . sondern die Form einer kartesian'sehen Ovalfläche gibt. Die Glei-; chung einer solchen Fläche lautet in dem Koordinatensystem gemäß Fig. 2

J (x + a)² + y² + η ν/ (χ - b)² + y² = a + nb

Bei Verwendung einer solchen Gitterform wird das Auflösungsvermögen dann in erster Linie durch den Quellendurchmesser und den Komafehler bestimmt. Eine Abschätzung zeigt, daß sich ein | Auflösungsvermögen in der Größenordnung von 1 % erzielen läßt. \

In Fig. 2 ist die Strahlungsquelle mit 18 und die Eintritts-j blende der Strahlungsnachweiseinrichtung mit 20 bezeichnet. j

Wie Fig. 3 zeigt, läßt sich der vorliegende Energieanalysa- ;" tor mit einer LEED-Gegenfeldoptik kombinieren. Zwischen der Elektronenquelle 18 und den kugelkalottenförmig dargestellten Gittern 10, 12 sind ementsprechend zwei zur Quelle hin konkave, konzentrische und kugelkalottenförmige Gitter 22, 24 angeordnet,

zwischen denen ein die Teilchen abbremsendes Feld erzeugt wird. | Der Raum zwischen dem Gitter 10 und Gitter 24 ist durch ein kegel+ stumpfförmiges (oder zylindrisches) Gitter 26 radial abgeschlossen. In Fig. 2 sind beispielsweise die Vorspannungen für die ver-: schiedenen Elektroden angegeben, wenn das System zur Analyse von j Elektronen mit Energien im Größenordnungsbereich von etwa 0,1 bis:

ρ j

10 eV verwendet werden soll. ί

; Eine Netzlinse verursacht eine Streuung des Teilchenstrahles iDiese Streuung ist praktisch nur an der Elektrode 24 des durch die Elektroden 22 und 24 gebildeten Gegenfeldteiles merkbar, weil sich die Teilchenenergien hier wegen der Abbremsung bis zum Wert Null erstrecken, und der Streuwinkel nimmt mit abnehmender Teilchenenergie rasch zu. Wegen des großen Wertes des Brechungsindexes der durch die Netzelektroden 10, 12 gebildeten Netzlinse für niederenergetische Elektronen werden diese Streuwinkel nach der Brechung sehr stark verkleinert. Die Strahlquerschnitte In

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der Ebene P (Fig. l) sind für eine Anordnung der in Fig. 2 dargestellten Art unter Berücksichtigung der Streuung in Fig. 4 für die inneren Randstrahlen dargestellt (Uq = 100 V).

Diese Querschnitte sind für kleine Strahlenergien (ca. 0,1 eV nach Abbremsung), Kreise, deren Radien mit der Energie wachsen. Bei weiter zunehmender Energie werden die Strahlquer-■ schnitte ringförmig, wie es die Querschnitte für 1,0 eV, 2,0 eV und 5,0 eV in Fig. 4 zeigen. Die Nachweiseinrichtung hat dementsprechend eine Eintrittsblende 20 (Fig. 5) mit kreisförmiger öffnung, deren Mittelpunkt auf der Symmetrieachse 14 des rotationssymmetrischen Systems liegt. Bei Verwendung einer Blende mit einem Öffnungsradius r werden alle Elektronen bis zur Energie Eq nachgewiesen, die durch die folgende Gleichung gegeben ist:

^Eo =

^r
R

eü,

(4)

j R bedeutet dabei den mittleren Radius der Elektroden 10, 12. j Bei größeren Energien wachsen die Querschnitte und die gemessene Intensität fällt ab. Teilchen, deren Energie so groß ist, daß der durch die Scheibe 16 bestimmte innere Randstrahl nicht mehr durch die Blendenöffnung geht, werden nicht mehr nachgewiesen.

Bei Verwendung kugelkalottenförmiger Netzelektroden 10, 12 kann clas Auflösungsvermögen durch eine vor der Eintrittsblende der Nachweisöffnung angeordnete Scheibe 28 verbessert werden, Ideren genaue Lage aus Fig. 5 ersichtlich ist.

j Die Erfindung ist nicht auf rotationssymmetrische Geometrien 'beschränkt. Man kann z.B. auch mit einer Zylindersymmetrie arbeiten, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. In Fig. 6 sind entsprechende Teile wie in Fig. 2 mit den gleichen Bezugszahlen, denen ein Akzent angehängt wurde, bezeichnet. Die Strahlungsquelle 18', die Blende 16¹ zur Abschirmung der paraxialen Strahlen und die Eintrittsblende 20^f der Strahlungsnachweiseinrichtung sind langgestreckt und streifenförmig, während die Netzelektroden 10', 12' die Form von Zylinderflächen haben. Je nach der gewünschten Art der Abbildung können die Elektroden in einer zur Zylinderachse senkrechten Schnittebene die Form einer Kreislinie, einer Ellipse,

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einer Parabel oder einer Schnittlinie der oben erwähnten kartesian¹sehen Ovalfläche haben.

Die zweite Gitterelektrode 12 kann auch in größerem Abstand hinter der Gitterelektrode 10 angeordnet ssin und unter Umständen sogar zu einer relativ kleinen ebenen Gitterelektrode oder Blende direkt vor der Teilchennachweiseinrichtung (z.B. Multiplier oder Auffänger) verkümmern.

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Claims

- 8 Patentansprüche

\l.s-/ Einrichtung zum Bestimmen der Energie geladener Teilchen, insbesondere Elektronen, die von einer Teilchenquelle in einen vorgegebenen Raumwinkel emittiert werden, mit einer Elektrodenanordnung, die mindestens eine den Raumwinkel überspannende, gewölbte und durchbrochene an eine Klemme einer Vorspannungsquelle angeschlossene Elektrode enthält und ein elektrisches Feld erzeugt, das aus den von der Quelle aus divergierenden Teilchen ein konvergentes Bündel erzeugt, einer Teilchennachweiseinrichtung, die auf der der Teilchenquelle abgewandten Seite der Elektroden am Ort des kleinsten Querschnittes des Teilchenbündels angeordnet ist, und einer zwischen der Teilchenquelle und der Teilchennachweiseinrichtung angeordneten Blende, die verhindert, daß Teilchen von der Quelle auf geraden Bahnen die Teilchennachweis einri chtung erreichen, dadurch gekennzeichnet, daß die gewölbte Elektrode (10, 10') zur Teilchenquelle hin konvex und bezüglich einer zweiten durchbrochenen Elektrode (12, 12^!) die zwischen der ersten Elektrode und der Teilchennachweiseinrichtung liegt, so vorgespannt ist, daß zwischen den Elektroden ein die Teilchen beschleunigendes elektrisches Feld herrscht.
2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode zur ersten Elektrode konzentrisch gewölbt ist.
3.) Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweiseinrichtung längs j der die Mitte der Teilchenquelle (18, 18') mit der Mitte der Bereiche geringsten Querschnittes der Teilchenbahnen verbindenden optischen Achse (14) verschiebbar ist.
4.) Einrichtung nach Anspruch 1, 2, j5 oder 4, dadurch· gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (10, 12) rotationssymmetrisch sind und daß die Teilchennachweiseinrichtung eine Blende mit kreisförmiger öffnung aufweist.
5.) Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der öffnung eine koaxiale Scheibe (28) angeordnet ist.

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6,) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (10, 12) die Form einer kartesian¹sehen Ovalfläche haben.
7.) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Abstandes der Elektroden (10, 12; 10', 12¹) zum Krümmungsradius der Elektroden zwischen 0,01 bis 0,5* vorzugsweise zwischen 0,05 bis 0,1 liegt.
8.) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden (10, 12) und der Teilchenquelle (18) ein Gegenfeldanalysator mit zwei zur Quelle konkaven durchbrochenen Elektroden (22, 24) angeordnet ist, zwischen denen ein die Teilchen abbremsendes elektrisches Feld herrscht, und daß der Raum zwischen der der Teilchenquelle abgewandten Elektrode (24) des Gegenfeldanalysators und der der Teilchenquelle zugewandten und zu ihr hin konvexen Elektrode (10) von einer zylinder- oder kegelstumpfförmigen Elektrode (26) begrenzt ist.

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