DE2103306C3

DE2103306C3 - Einrichtung zum Bestimmen der Energie geladener Teilchen mit zwei zwischen einer Teilchenquelle und einer Teilchennachweiseinrichtung liegenden fokussierenden Elektroden

Info

Publication number: DE2103306C3
Application number: DE2103306A
Authority: DE
Inventors: Philippe Dr. 8000 Muenchen 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: 1980-07-24
Also published as: GB1352084A; DE2103306B2; FR2123360A3; FR2123360B3; BE778419A; NL7200902A; DE2103306A1; LU64650A1; US3760186A; IT948309B; JPS5312836B1

Description

i(.x + u)² t- y¹ + η Hx - />)² + r = ti + nb

haben, wobei

η null ist und

χ die Koordinate eines Flächenpunktes in der Richtung der Symmetrieachse,

y den senkrechten Abstand des Flächenpunktes von der Symmetrieachse,

a den Abstand zwischen der Teilchenquelle (18) und dem auf der Symmetrieachse gelegenen Scheitelpunkt der ersten Elektrode (10) und

b den Abstand zwischen diesem Scheitelpunkt und der feststehenden Eintrittsblende (2Qa) der Teilchennachweiseinrichtung (20) bedeuten.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3, bei der die beiden Elektroden überall gleichen Abstand in Richtung ihrer Flächennormale aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Abstandes der Elektroden (10, 12; 10', \2^r) zum Krümmungsradius der Elektroden zwischen 0,1 und 0,5 liegt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen 0,05 und 0,1 liegt

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine Einrichtung dieser Art ist aus der Veröffentlichung von Samson and Cairns in der Zeitschrift »The Physical Review«, Bd. 173, 1968, Seiten 80 bis 82, insbesondere Fig. 2, bekannt

Bei der bekannten Einrichtung dient die zur Teilchenquelle hin konvexe durchbrochene Elektrode lediglich als elektrostatische Linse, mit der die analysierten Teilchen in die Eintrittsöffnung einer als Elektronenvervielfacher ausgebildeten Teilchennachweiseinrichtung fokussiert werden. Der Analysatorteil der bekannten Einrichtung besteht dagegen aus zwei zur Teilchenquelle konzentrischen sphärischen Gittern, zwischen denen ein die Teilchen abbremsendes Potential erzeugt wird. Die Teilchen, die dieses abbremsende Potential überwinden können, durchlaufen eine weitere konzentrische Gitterelektrode und werden dann durch ein beschleunigendes Feld zwischen der zur Teilchenquelle hin konvexen durchbrochenen Elektrode und einer zu dieser konzentrischen zweiten durchbrochenen Elektrode in die Eintrittsöffnung des Elektronenvervielfachers fokussiert ι» Im bekannten Falle dient die elektrostatische Linse aus den beiden zur Teilchenquelle hin konvexen durchbrochenen Elektroden lediglich zum Fokussieren der von der Teilchenquelle aus divergierenden analysierten Teilchen in die Eintrittsöffnung der Teilchenr> Nachweiseinrichtung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der obengenannten Art so auszubilden, daß die zur Teilchenquelle hin konvexe durchbrochene Elektrode und die z-,/'schen dieser und ■in der Teilchen-Nachweiseinrichtung liegende zweite durchbrochene Elektrode die Funktion eines Energieanalysator übernehmen können.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1

gekennzeichnete Ausbildung gelöst.

r, Hierzu ist noch zu erwähnen, daß es aus »Applied

Physics Letters«, Bd. 16, 1970, S. 348 bis 351, bei einer Einrichtung mit einem durch zwei durchbrochene Elektroden gebildeten Gcgcnfeidanalysator und einer

die Teilchen auf eine Nachweiseinrichtung fokussicren-

vi den Elektrodenanordnung bereits bekannt war, eine

Blende zwischen Teilchenquelle und Nachweiseinrich- IL¹Ig so anzuordnen, daß keine Teilchen auf geraden Bahnen zu letzterer gelangen können. Dabei sind die

durchbrochenen Elektroden aber zur Teilchenquelle hin

v> konkav und dienen nicht zur Fokussierung.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Erfindung wird der Vorteil einer wesentlich größeren Unempfindlichkeit gegen Störfelder erreicht mi und in Kombination mit dem bekannten Gegenfeldanalysator kann eine Bandfiltercharakteristik erreicht werden.

Die gemäß der Erfindung ausgebildete Einrichtung

eignet sich insbesondere zur Energiebestimmung von

h'> Augerelektronen und Photoelektronen im Rahmen der zerstörungsfreien chemischen Analyse durch Eleklro nenspektroskopie.

Im folgenden werden Ausführungsbeispicle der

Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels, das sich insbesondere zur Bestimmung der Energie niederenergetischer Elektronen eignet,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 1,

F i g. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbe'spieles der Erfindung,

Fig.4 eine schematische 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 den F i g. 1 oder 3 zeigt und

Fig.6 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausfühmngsbeispieles mit Zylindergeometrie.

F i g. 1 zeigt schematisch einen Energieanalysator, der im wesentlichen aus zwei konzentrischen, kugelkalottenförmigen Gittern 10 und 12 aus Drahtnetz besteht, die im Abstand voneinander (Verhältnis von Abstand zu mittlerem Radius vorzugsweise größer uls 0,01, insbesondere 0,05 bis 0,1) zwischen einer in F i r. 1 links von den Gittern gelegenen Teilchenquelle, z. B. Elektronenquelle, und einer rechts von den Gittern angeordneten, in Fig. 1 nicht dargestellten Teilchennachweiseinrichtung, beispielsweise einem Sekundärelektronenvervielfacher, angeordnet ist. Zur Aufnahme eines Energiespektrums kann entweder die Teilchennachweiseinrichtung längs der Symmetrieachse 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, oder es kann hierzu bei feststehender Teilchennachweiseinrichtung die Spannung LO am Gitter 12 zu veränderbar sein.

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 selbstverständlich auch für andere geladene Teilchen, z. B. positive Ionen anwenden, in diesem Fall sind lediglich die Vorzeichen umzukehren.

Das Gitter 10 liegt in der Praxis auf dem Potential der Teilchenquel'e, während das Gitter 12 durch eine positive Vorspannung U» bezüglich des auf Masse liegend angenommenen Gitters 10 vorgespannt ist. Die Vorspannung U« ist groß im Vergleich zu der der Energie E= eil (e= Elementarladung) der Elektronen entsprechenden Spannu.ig V und beträgt bei der Analyse von niederenergetischen Elektronen mit Energien von einigen Zehntel eV,z. B. etwa 10 V.

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

(I +

Das Verhältnis zwischen Einfallswinkel Φι und Ausfallswinkel Φ₂ wird durch das optische Brechungsgesetz

sin '/'ι -- /ι sin <l>₂

bestimmt. Für U-t LO ändert sich η sehr rasch in Abhängigkeit von U und geht für U-+0 gegen unendlich, was einer graten Energiedispersion auf der Symmetrieachse 14 entspricht. In Fig. I sind einige gebrochene Strahlen für verschiedene Werte U/Ua und für innere Randstrahlen 13 und äußere Randstrahlen 15 dargestellt Der paraxiale Bereich ist durch eine kreisförmige Scheibe 16 ausgeblendet Die sphärische ä Aberration ist für Werte von £//£/< >< 0,01 klein und die durch monoenergetische Elektronen gebildeten Bündel schneiden die Symmetrieachse 14 innerhalb eines kleinen Bereiches. Die Kombination dieser beiden Eigenschaften, nämlich hohe Energiedispersion und

ι u scharfe Fokusbilder, ist von großem Vorteil.

Die Energie der nachgewiesenen Elektronen hängt vom Ort der Eintrittsöffnung der Strahlungsnachweiseinrichtung auf der Achse 14 und von der angelegten Spannung Uq ab. Hierauf wird später noch näher

r, eingegangen.

Das Auflösungsvermögen des Energieanalysator gemäß F i g. 1 wird hauptsächlich durch den Quellendurchmesser und die sphärische Aberration bestimmt. Die sphärische Aberration läßt sich ausschalten, wenn

'ο man den Netzen nicht die Form ehsr Kugelkalotte sondern die Form einer bestimmten Ovalfläche gibt, deren Gleichung in dem Koordinatensystem gemäß F i g. 2 lautet:

>■-, l(.v + a)² + r + ti \{x - h)² + r = a + iih .

(3)

Darin bedeuten a bzw. b die Abstände zwischen dem

so Scheitelpunkt des ersten Gitters 10 und der Teilchenquelle bzw. der Eintrittsblende der Teilchennachweiseinrichtung.

Bei Verwendung einer solchen Gitterform wird das Auflösungsvermögen dann in erster Linie durch den

η Quellendurchrnesser und den Komafehler bestimmt. Eine Abschätzung zeigt, daß sich ein Auflösungsvermögen in der Größenordnung von 1% erzielen läßt.

In F i g. 2 ist die Strahlungsquelle mit 18 und die Eintrittsblende der Strahlungsnachweiseinrichtung mit

4(i 20a bezeichnet.

V-'ie F i g. 3 zeigt, läßt sich der vorliegende Energieanalysator mit einer Gegenfeldoptik kombinieren. Zwischen der Elektronenquelle 18 und den kugelkalottenförmig dargestellten Gittern 10,12 sind dementspre-

r. chend zwei zur Quelle hin konkave, konzentrische und kugelkalottenförmige Gitter 22 und 24 angeordnet, zwischen denen ein die Teilchen abbremsendes Feld erzeugt wird. Der Raum zwischen dem Gitter 10 und Gitter 24 ist durch ein kegelstumpfförmiges (oder

.(ι zylindrisches) Gitter 26 radial abgeschlossen. Weiter ist eine Teilchennachweiseinrichtung dargestellt.

Eine Netzlinse verursacht eine Streuung des Teiichensl^rahles. Diese Streuung ist praktisch nur am Gitter 24 des durch die Gitter 22 und 24 gebildeten

v> Gegenfeldteiles merkbar, weil sich die Teilchenenergien hier wegen der Abbremsung bis zum Wert Null erstrecken, und der Streuwinkel nimmt mit abnehmender Teilchenenergie rasch m. Wegen des großen Wertes des Brech .ngsindexes der durch die Gitter 10,

Mi 12 gebildeten Netzlinse für niederenergetische Elektronen werden diese Streuwinkel nach der Brechung sehr stark verkleinert. Die Strahlquerschnitte ir der Ebene P (Fig. 1) sind für eine Anordnung der in Fig.3 dargestellten Art unter Berücksichtigung der Streuung

ι,-) in Fig.4 für die inneren Randstrahlen dargestellt (LO=IOOV).

Diese Querschnitte sind für kleine Strahlenenergien (ca. 0,1 eV nach Abbremsung) Kreise, deren Radien mit

der Energie wachsen. Bei weiter zunehmender Energie werden die Strahlquerschnitte ringförmig, wie es die Querschnitte für I₁OeV, 2,OeV und 5,OeV in Fig.4 zeigen. Die Nachweiseinrichtung hat dementsprechend eine Eintrittsblende 2Oe (F i g. 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 En nachgewiesen, die durch die folgende Gleichung gegeben ist:

!■U, -

(4)

R bedeutet dabei den mittleren Radius der Gitter 10, 12. 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 13 nicht mehr durch die Blendenöffnung geht, werden nicht mehr nachgewiesen.

Bei Verwendung kugelkalottenförmiger Gitter 10,12 kann das Aufölsungsvermögen durch eine vor der Eintrittsblende 20a der Nachweisöffnung angeordnete Scheibe 28 verbessert werden, deren genaue Lage aus F i g. 5 ersichtlich ist.

Die Erfindung ist nicht auf rotationssymmetrische Geometrien beschränkt. Man kann z. B. auch mit einer > Zylindersymmetrie arbeiten, wie es in F i g. 6 dargestellt ist. In F i g. 6 sind entsprechende Teile wie in F i g. 2 mit den gleichen Bezugszahlen, denen ein Akzent angehängt wurde, bezeichnet. Die Strahlungsquelle 18', die Blende 16' zur Abschirmung der paraxialen Strahlen

in und die Eintrittsblende 20' der Strahlungsnachweisein richtung 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

ι ■> senkrechten Schnittebene die Form einer Kreislinie, einer Ellipse, einer Parabel oder einer Schnittlinie der oben erwähnten speziellen Ovalfläche haben.

Die zweite Gitterelektrode 12 kann auch in größerem Abstand hinter der Gitterelektrode lö angeordnet sein

.'ti und unter Umständen sogar zu einer relativ kleinen ebenen Gitterelektrode oder Blende direkt vor der Teilchennachweiseinrichtung (z. B. Multiplier oder Auffänger) verkümmern.

Hierzu 5 Hhili

Claims

PatentansprQche;

1. Einrichtung zum Bestimmen der Energie geladener Teilchen mit einer Teilchenquelle und einer Teilchennachweiseinrichtung, die auf einer Symmetrieachse angeordnet sind, weiterhin mit einer zur Teilchenquelle hin konvexen, zur Symmetrieachse symmetrischen ersten durchbrochenen Elektrode und einer zwischen dieser und der Teilchennachweiseinrichtung liegenden zweiten durchbrochenen Elektrode, die im Betrieb an solchen Spannungen liegen, daß die Teilchen, die von der Teilchenquelle auf die erste Elektrode fallen, auf die Symmetrieachse fokussiert werden, sowie gegebenenfalls mit einem zwischen der Teilchenquelle und den beiden Elektroden angeordneten Gegenfeldanalysator, der zwei zur Teilchenquelle hin konkave, durchbrochene Elektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchennachweiseinrichtung (20) längs der Symmetrieachse (14) verschiebbar oder die Spannung zwischen den Elektroden (10,12; 10', 12') veränderbar ist, und daß zwischen der Teilchenquelle (18; 18') und der Teilchennachweiseinrichtung (20; 20') eine Blende (16,16') angeordnet ist, die verhindert, daß Teilchen von der Teilchenquelle auf geraden Bahnen zur Teilchennachweiseinrichtung gelangen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die beiden Elektroden rotationssymmetrisch und mit überall gleichem Abstand in Richtung ihrer Flächennormalen angeordnet sind, und die Teilchennachweiseinrichtung eine Blende mit kreisförmiger Öffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß vor der öffnung der Blende (2Oa^ eine zu ihr koaxiale Scheibe (28) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Elektroden Rotationsflächen bezüglich der Symmetrieachse bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (10, 12) die Form von Ovalflächen entsprechend der Gleichung